CZ2021339A3

CZ2021339A3 - Fibre sensor for dynamic weighing of waste when dumping bins

Info

Publication number: CZ2021339A3
Application number: CZ2021-339A
Authority: CZ
Inventors: Marcel Fajkus; Fajkus Marcel Ing., Ph.D.; Michael Fridrich; Michael Ing. Fridrich; Emil Bednár; Emil Ing. Bednár; Stanislav Žabka; Stanislav Ing. Žabka; Jan Nedoma; Nedoma Jan doc. Ing., Ph.D.
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-25
Also published as: CZ309636B6

Abstract

Vláknový senzor pro dynamické vážení odpadu při vysypávání popelnic je určen pro dynamické vážení nákladu na vozidlech, zejména vozidlech se zvedacím zařízením, které je možné využít v odpadovém hospodářství, stavebnictví a při přepravě materiálů na paletách. Senzor je založen na optovláknové technologii a je vybaven dvěma Braggovskými mřížkami (4,5).The fiber sensor for dynamic weighing of waste when emptying bins is intended for dynamic weighing of loads on vehicles, especially vehicles with lifting equipment, which can be used in waste management, construction and when transporting materials on pallets. The sensor is based on fiber optic technology and is equipped with two Bragg gratings (4,5).

Description

Vláknový senzor pro dynamické vážení odpadu při vysypávání popelnicFiber sensor for dynamic weighing of waste when emptying bins

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká dynamického vážení přímo na vozidle, například komunálního odpadu na popelářském vozidle se zadním, předním nebo bočním nakladačem.The invention relates to dynamic weighing directly on the vehicle, for example municipal waste on a garbage truck with a rear, front or side loader.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Transport materiálu z bodu A do bodu B je jednou z nej rozšířenějších činností. V případě balených materiálů je poměrně jednoduché určit jejich hmotnost, ale v případě, že je přepravován materiál, u kterého hmotnost není předem známa (zemina, odpad apod.), může dojít v extrémním případě i k destabilizaci přepravního vozidla (např. jeho převážení, přetížení nebo poškození).Transporting material from point A to point B is one of the most widespread activities. In the case of packaged materials, it is relatively easy to determine their weight, but in the event that the material is being transported, the weight of which is not known in advance (soil, waste, etc.), in extreme cases the transport vehicle may also be destabilized (e.g. its transportation, overloading or damage).

Jednou z pokračujících ekologicky zaměřených oblastí, kde není předem známa hmotnost přepravovaného materiálu, je třídění odpadů. Díky vážení přímo na svozovém vozidle je však možné sledovat množství a druh vytříděného i směsného odpadu a je možné získat přehled o množství a druhu odpadu z jednotlivých lokalit.One of the continuing environmentally focused areas where the weight of the transported material is not known in advance is waste sorting. However, thanks to weighing directly on the collection vehicle, it is possible to monitor the amount and type of sorted and mixed waste, and it is possible to obtain an overview of the amount and type of waste from individual locations.

V současné době existují dvě základní možnosti, jak vážit odpad přímo na svozovém vozidle. První metodou je tzv. statické vážení, které vyžaduje krátké pozastavení během výsypu nádoby, aby mohla být načtena hmotnost vysypávaného odpadu. Tato technologie je používána pro výsyp sběrných nádob prostřednictvím hydraulické ruky neboje určeno pro velkoobjemové kontejnery, které se natahují na nástavbu vozu (např. kontejnery na sklo, velkoobjemový odpad apod.). Druhá metoda tzv. dynamické vážení se provádí bez pozastavení vysýpacího zařízení a váha je zaznamenána během vyprazdňování nádoby. Jedná se o plně automatizovaný systém vážení komunálního odpadu.Currently, there are two basic options for weighing waste directly on the collection vehicle. The first method is the so-called static weighing, which requires a short pause during the emptying of the container so that the weight of the dumped waste can be read. This technology is used for emptying collection containers by means of a hydraulic arm, as it is intended for large-volume containers that are stretched over the body of the car (e.g. containers for glass, large-volume waste, etc.). The second method, the so-called dynamic weighing, is carried out without stopping the dumping equipment and the weight is recorded during the emptying of the container. It is a fully automated municipal waste weighing system.

Systémů a zařízení, která jsou určena pro vážení odpadu a nejen jeho, je z patentové literatury známa celá řada z české např. CZ 19951418 A3 Zařízení pro vyprazdňování velkých nádob, CZ 200921062 U Mobilní vážící vůz pro vážení materiálů, převoz materiálu a překládku materiálu. Zq zahraničí je znám například WO 95/28298 AI Device for emptying and weighing of a Garbage disposal can, kde je navrženo celé zvedací zařízení i s detektory zátěže, nejedná se tedy pouze o senzorické zařízení. Dalším příkladným řešením může být JP 2010241553 A Garbage collection vehicle, kde je vážící systém nainstalován pod hlavním sběrným kontejnerem vozidla. Cílem je zamezit přetížení vozidla.A whole range of systems and devices intended for weighing waste and not only waste is known from the Czech patent literature, e.g. CZ 19951418 A3 Device for emptying large containers, CZ 200921062 U Mobile weighing truck for weighing materials, transporting materials and transshipment of materials. For example, WO 95/28298 AI Device for emptying and weighing of a Garbage disposal can is known from abroad, where the entire lifting device is designed with load detectors, so it is not just a sensory device. Another exemplary solution can be JP 2010241553 A Garbage collection vehicle, where the weighing system is installed under the main collection container of the vehicle. The aim is to avoid overloading the vehicle.

Tyto systémy pro stanovení hmotnosti odpadu a nejen jeho, ve sběrných nádobách jsou nejčastěji založeny na měření mechanického pnutí - deformace na hydraulickém zvedacím zařízení vozidla. Mechanické pnutí - tedy deformace lze zjistit využitím tenzometrů nebo tenzometrických vah. Funkčnost tenzometrů, však může být narušena konstantním mechanickým zatížením, kdy dochází k výraznému snížení jeho citlivosti nebo vlhkostí v případě chybného překrytí ochrannou vrstvou, kdy hydroskopická nosná podložka mění své rozměry. Rovněž zde může vzniknout problém působení silného střídavého magnetického pole a s ním spojená indukce v přívodních kabelech.These systems for determining the weight of waste and not only waste in collection containers are most often based on the measurement of mechanical stress - deformation on the vehicle's hydraulic lifting device. Mechanical stress - i.e. deformations can be determined using strain gauges or strain gauges. The functionality of strain gauges, however, can be impaired by constant mechanical load, when there is a significant reduction in its sensitivity, or by humidity in the case of incorrect covering with a protective layer, when the hydroscopic support pad changes its dimensions. The problem of the action of a strong alternating magnetic field and the associated induction in the supply cables can also arise here.

Samozřejmě jsou známa i zařízení, která využívají technologie Braggovských mřížek. K těmto řešením patří např. US 6448581 Bl Fiber Bragg grating sensor system having enhanced strainto-wavelength responsivity by using a spectral beating based vernier effect - kde se jedná o konkrétní uspořádání senzorického zařízení s Braggovskými mřížkami, které snímají teplotu a mechanické napětí. Signál z Braggovské mřížky ze senzoru může být analyzován optickým spektrálním analyzátorem, poté elektronicky smíchán a vynásoben simulovaným referenčním mřížkovým spektrem v zařízení pro vážení spektra. Dalším představitelem může být CN 201237522 Y Optical grating wighting transducer , kdy se jedná o využití kombinaceOf course, devices that use Bragg grating technology are also known. These solutions include, for example, US 6448581 Bl Fiber Bragg grating sensor system having enhanced strainto-wavelength responsivity by using a spectral beating based vernier effect - where it is a specific arrangement of a sensory device with Bragg gratings that sense temperature and mechanical stress. The Bragg grating signal from the sensor can be analyzed by an optical spectrum analyzer, then electronically mixed and multiplied by a simulated reference grating spectrum in a spectrum weighting device. Another representative can be CN 201237522 Y Optical grating weighting transducer, when it is a matter of using a combination

- 1 CZ 2021 - 339 A3- 1 CZ 2021 - 339 A3

Braggovské mřížky a elektrooptické technologie a vážícího zařízení. Braggovské mřížky jsou umístěny ve dvou otvorech nosného profilu. Jedná se o konkrétní návrh zařízení, které však nelze implementovat na každé vozidlo. Mezi příbuzná zařízení je možné zařadit i CN 101762309 A Fiber Bragg grating weighting sensor, kde je senzor založen na Braggovské mřížce, obsahuje pružný prvek, který má sloupcovou strukturu. Braggovské mříky jsou rovnoměrně uspořádány ve střední poloze boční stěny pružného prvku.Bragg gratings and electro-optical technologies and weighing equipment. Bragg gratings are placed in two openings of the supporting profile. This is a specific design of the device, but it cannot be implemented on every vehicle. Related devices include CN 101762309 A Fiber Bragg grating weighting sensor, where the sensor is based on a Bragg grating, contains a flexible element that has a columnar structure. Bragg specks are uniformly arranged in the middle position of the side wall of the elastic element.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Vynález představující optovláknový senzor, který moduluje deformační změny mechanického zařízení na změny výkonu světla.The invention presents a fiber optic sensor that modulates deformation changes of a mechanical device to changes in light output.

Senzor vždy obsahuje dvě Braggovské mřížky, jejichž spektra se v nezatíženém stavu překrývají a je možné je zapojit za sebou nebo vedle sebe. V případě, že jsou zapojeny vedle sebe, je každá z těchto mřížek vybavena ochranným krytem.The sensor always contains two Bragg gratings, the spectra of which overlap in the unloaded state, and it is possible to connect them behind or next to each other. If they are connected next to each other, each of these grids is equipped with a protective cover.

Základní uspořádání senzoru představuje LED diodu, která je prostřednictvím optického vlákna propojena s optickým cirkulátorem. Z optického cirkulátoru vedou dvě optická vlákna.The basic arrangement of the sensor is an LED which is connected to an optical circulator via an optical fiber. Two optical fibers lead from the optical circulator.

První z vláken je vedeno do ochrany Braggovských mřížek, přičemž jako první je napojená měřící Braggovská mřížka a jako druhá je napojena referenční Braggovská mřížka. Druhé optické vlákno je vedeno do fotodetektoru, který je prostřednictvím propojovacího kabelu spojen s A/D převodníkem, který je stejným kabelem propojen s výpočetní jednotkou, kterým může být DSP digitální signálový procesor nebo např. PC.The first of the fibers is led into the protection of the Bragg gratings, while the measuring Bragg grating is connected first and the reference Bragg grating is connected second. The second optical fiber is led to the photodetector, which is connected via a connecting cable to the A/D converter, which is connected by the same cable to a computing unit, which can be a DSP digital signal processor or, for example, a PC.

V případě, že nejsou Braggovské mřížky uspořádány za sebou, pak je referenční Braggovská mřížka umístěna v samostatné ochraně, je napojena optickým vláknem na optický cirkulátor a na ni je pak napojen fotodetektor a další součástky, jak je uvedeno v textu výše.If the Bragg gratings are not arranged behind each other, then the reference Bragg grating is placed in a separate shield, it is connected to the optical circulator by an optical fiber, and the photodetector and other components are then connected to it, as mentioned in the text above.

Optovláknový Braggovský senzor odráží úzkou spektrální část světla, jejíž poloha ve spektru se mění s deformací působící na optické vlákno. Tento senzor je instalován na vysypávací zařízení tak, aby jedna Braggovská mřížka byla citlivá na působící deformace, které vznikají v mechanické části vysypávacího zařízení v průběhu vysypávání popelnice. Druhá Bragovská mřížka je instalována v místě, kde je deformace nulová (resp. stejně velká s opačným znaménkem). Tento způsob instalace umožňuje to, že změna deformace ovlivňuje posun pouze jednoho spektra (resp. obou spekter opačným směrem), čímž dochází ke změně odraženého výkonu od dvojice Braggovských mřížek. Deformace zdvihacího zařízení tak moduluje odražený světelný výkon od Braggovského senzoru.An optical fiber Bragg sensor reflects a narrow spectral part of light, the position of which in the spectrum changes with the deformation acting on the optical fiber. This sensor is installed on the dumping device in such a way that one Bragg grating is sensitive to the acting deformations that arise in the mechanical part of the dumping device during the dumping of the dustbin. The second Bragg grating is installed at the point where the deformation is zero (or the same magnitude with the opposite sign). This method of installation makes it possible for a change in deformation to affect the shift of only one spectrum (or both spectra in the opposite direction), thereby changing the reflected power from a pair of Bragg gratings. The deformation of the lifting device thus modulates the reflected light output from the Bragg sensor.

Jak už bylo výše řečeno, senzor využívá dvojici zapouzdřených Braggovských mřížek a dále pro účely této přihlášky je zdrojem světla LED dioda s optickým spektrem v blízké infračervené oblasti a šířkou spektra alespoň 2 nm, cirkulátor, fotodetektor a obvody pro zpracování/vyhodnocení signálu. Pro účely této přihlášky se ochranou, která je aplikována na Braggovské mřížky, rozumí použití např. voděodolná a mechanicky odolná pryžová lepící páska (Braggovská mřížka je zalepena), kovové pouzdro, plastová krabička apod.As already mentioned above, the sensor uses a pair of encapsulated Bragg gratings and, for the purposes of this application, the light source is an LED diode with an optical spectrum in the near-infrared region and a spectrum width of at least 2 nm, a circulator, a photodetector and circuits for signal processing/evaluation. For the purposes of this application, the protection that is applied to Bragg gratings means the use of, for example, waterproof and mechanically resistant rubber adhesive tape (the Bragg grating is sealed), a metal case, a plastic box, etc.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Na obr. 1 se nachází schéma zapojení dle příkladu uskutečnění 1. Obr. 2 pak představuje analýzu průběhu měření signálu (světelného výkonu) v průběhu procesu vysypání popelnice dle příkladu uskutečnění 1, přičemž fáze A - představuje klidový stav před začátkem procesu vysypání, fáze B - průběh vysypání, fáze C - posun ramene po vysypání do počátečního stavu. Část B1 je využita pro zpracování signálu, jak je uvedeno na obr. 3, kde jsou vyznačeny kladné a záporné vrcholy tétoFig. 1 shows the connection diagram according to the implementation example 1. Fig. 2 then represents the analysis of the progress of signal measurement (light output) during the process of emptying the dustbin according to example implementation 1, where phase A - represents the rest state before the start of the emptying process, phase B - the process of emptying, phase C - the movement of the arm after emptying to the initial state. Part B1 is used for signal processing, as shown in Fig. 3, where the positive and negative peaks of this

-2CZ 2021 - 339 A3 fáze (Bl), které odpovídají kmitům zdvihacího zařízení. Na obr. 4 je pak zobrazena závislost periody kmitání zdvihacího zařízení a hmotnosti odpadu popelnice. Obr. 5 představuje schéma zapojení dle příkladu uskutečnění 2.-2CZ 2021 - 339 A3 phases (Bl), which correspond to the vibrations of the lifting device. Fig. 4 shows the dependence of the period of oscillation of the lifting device and the weight of the garbage can. Giant. 5 represents the circuit diagram according to example embodiment 2.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Příklad 1Example 1

V tomto příkladě jsou Braggovské mřížky 4,5 umístěny na jednom optickém vláknu 2 a jsou umístěna ochraně 10. LED dioda 1 je prostřednictvím optického vlákna 2 standardu G.657 propojena s optickým cirkulátorem 3. Z optického cirkulátoru 3 vedou dvě optická vlákna 2 . První z optických vláken 2 je vedeno do ochrany 10 Braggovských mřížek 4,5, přičemž jako první je napojená měřící Braggovská mřížka 4 a jako druhá je napojena referenční Braggovská mřížka 5. Vzdálenost mezi oběma Braggovskými mřížkami 4,5 je vzdálenost 30 cm. V tomto případě je centrální část odrazného spektra pro měřící Braggovskou mřížku 4 1540,126 nm a šířka odrazného spektra je 302 pm. V případě referenční Braggovské mřížky 5 je centrální část odrazného spektra 1540,410 nm a šířka jejího odrazného spektra je 308 pm. Druhé optické vlákno 2 je vedeno do fotodetektoru 6, který je prostřednictvím propojovacího kabelu 7 spojen s A/D převodníkem 8, který je stejným kabelem 7 propojen s DSP - digitálním signálovým procesorem 9.In this example, the Bragg gratings 4,5 are placed on one optical fiber 2 and are placed on the protection 10. The LED diode 1 is connected to the optical circulator 3 through the optical fiber 2 of the G.657 standard. Two optical fibers 2 lead from the optical circulator 3. The first of the optical fibers 2 is guided into the protection of 10 Bragg gratings 4.5, with the measuring Bragg grating 4 being connected first and the reference Bragg grating 5 being connected as the second. The distance between the two Bragg gratings 4.5 is 30 cm. In this case, the central part of the reflection spectrum for the measuring Bragg grating 4 is 1540.126 nm and the width of the reflection spectrum is 302 pm. In the case of the reference Bragg grating 5, the central part of the reflection spectrum is 1540.410 nm and the width of its reflection spectrum is 308 pm. The second optical fiber 2 is led to the photodetector 6, which is connected to the A/D converter 8 via the connecting cable 7, which is connected to the DSP - digital signal processor 9 by the same cable 7.

Tento senzor je umístěn na zdvihací zařízení popelářského vozu například prostřednictvím dvousložkového lepidla a to tak, že namísto s maximální deformací je umístěna měřící Braggovská mřížka 4 a na místo s nulovou deformací je umístěna referenční Braggovská mřížka 5. Optický signál z širokopásmové LED diody 1 je veden přes optický cirkulátor 3 k Braggovským mřížkám 4,5. Odražené světlo z těchto Braggovských mřížek 4,5 je vedeno zpět přes optický cirkulátor 3 k fotodetektoru 6, Elektrický signál z fotodetektoru 6 je veden propojovacím kabelem 7 přes A/D převodník 8 do DSP-digitálního signálového procesoru 9, kde je signál zpracován. Výsledkem zpracování je informace o hmotnosti vysypaného odpadu.This sensor is placed on the lifting device of the garbage truck, for example by means of a two-component adhesive, in such a way that the measuring Bragg grating 4 is placed at the place with maximum deformation and the reference Bragg grating 5 is placed at the place with zero deformation. The optical signal from the broadband LED 1 is guided through optical circulator 3 to Bragg gratings 4,5. The reflected light from these Bragg gratings 4,5 is led back through the optical circulator 3 to the photodetector 6. The electrical signal from the photodetector 6 is led by the connecting cable 7 through the A/D converter 8 to the DSP-digital signal processor 9, where the signal is processed. The result of processing is information on the weight of dumped waste.

Měření v tomto případě probíhalo po dobu 1 týdne. Během této doby bylo provedeno celkem 1305 vysypávacích cyklů, při kterých bylo vysypáno ze sběrných nádob 856,45 Kg Toto kontrolní vážení probíhalo standardním způsobem před vyspáváním odpadu. Celková hmotnost zachycená senzorem činila 802,55 Kg což je 73,7% úspěšnost.In this case, the measurement took place for 1 week. During this time, a total of 1305 dumping cycles were carried out, during which 856.45 Kg were dumped from the collection containers. This control weighing took place in a standard way before dumping the waste. The total weight captured by the sensor was 802.55 Kg, which is a 73.7% success rate.

Příklad 2Example 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že každá z Braggovských mřížek 4,5 je umístěna na jiném optickém vláknu 2 a má vlastní ochranu 10. Tedy pozice měřící Braggovské mřížky 4 je stejná jako v příkladu 1, ale pozice referenční Braggovské mřížky 5 se nachází mezi optickým cirkulátorem 3 a fotodetektorem 6.Example 2 differs from example 1 in that each of the Bragg gratings 4,5 is located on a different optical fiber 2 and has its own protection 10. Thus, the position of the measuring Bragg grating 4 is the same as in example 1, but the position of the reference Bragg grating 5 is located between the optical circulator 3 and the photodetector 6.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení je využitelné pro dynamické vážení nákladu na vozidlech. Zařízení je možné nainstalovat na jakýkoliv druh zvedacího zařízení vozidla. Zařízení je tedy možné využít například v odpadovém hospodářství (popelářské vozy), přeprava materiálů (vážení palet u vysokozdvižných vozíků), stavebnictví (vážení obsahu radlice u bagru) apod.The device can be used for dynamic weighing of loads on vehicles. The device can be installed on any type of vehicle lifting device. The device can therefore be used, for example, in waste management (garbage trucks), transport of materials (weighing pallets with forklifts), construction (weighing the content of the blade with an excavator), etc.

Claims

1. A fiber sensor for dynamic weighing of waste when emptying garbage cans, which includes Bragg gratings and optical fibers, characterized by the fact that the sensor includes an LED diode (1), 5 which is connected to an optical circulator (3) via an optical train (2) ), from which two branches of optical fibers (2) emanate, while on the first branch there is a measuring Bragg grating (4) and a reference Bragg grating (5), and on the second branch there is a photodetector (6), which is a connecting cable (7) connected to the A/D converter (8), which is further connected to the DSP-digital signal processor (9) by a connecting cable (7).

ιο

2. A fiber sensor for dynamic waste weighing according to claim 1, characterized in that the reference Bragg grating (5) is located on the second branch of the optical fiber (2) between the optical circulator (3) and the photodetector (6).

3. A fiber sensor for dynamic waste weighing according to claim 1, characterized in that the measuring Bragg grating (4) and the reference Bragg grating (5) are equipped with protection (10).