CZ35341U1

CZ35341U1 - Fibre sensor for dynamic weighing of waste when dumping bins

Info

Publication number: CZ35341U1
Application number: CZ202138986U
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
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2021-08-24

Description

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

Oblast technikyField of technology

Zařízení se týká dynamického vážení přímo na vozidle, například komunálního odpadu na popelářském vozidle se zadním, předním nebo bočním nakladačem.The device 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 technikyPrior 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).Transport of 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 case of transporting material for which the weight is not known in advance (soil, waste, etc.), in extreme cases the transport vehicle may be destabilized (eg transported, overloaded). 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 ongoing ecologically oriented areas, where the weight of the transported material is not known in advance, is waste sorting. Thanks to weighing directly on the collection vehicle, however, 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 určena 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 ways to weigh 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 in order to be able to read the weight of the dumped waste. This technology is used for emptying collection containers by means of a hydraulic arm, or it is intended for large-volume containers that are stretched on the car body (eg glass containers, large-volume waste, etc.). The second method, so-called dynamic weighing, is performed without suspending the discharge device and the weight is recorded during emptying of the container. It is a fully automated system for weighing municipal waste.

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 „Zařízeni 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.Systems and equipment that are designed for weighing waste and not only its, is known from the patent literature a number of Czech eg CZ 19951418 A3 "Equipment for emptying large containers", CZ 200921062 U ..Mobile weighing truck for weighing materials, transport of material and transhipment of material ’. From abroad, for example, WO 95/28298 A1 "Device for emptying and weighing of a Garbage disposal can" is known, where the entire lifting device with load detectors is designed, so it is not just a sensor device. Another exemplary solution may 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 nej častěji 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 its, in collection containers, are most often based on the measurement of mechanical stress - deformation on the hydraulic lifting device of the vehicle. Mechanical stress - ie deformation can be determined using strain gauges or strain gauges. However, the functionality of strain gauges can be impaired by a constant mechanical load, when its sensitivity or humidity is significantly reduced in the case of incorrect covering with a protective layer, when the hygroscopic support plate changes its dimensions. There may also be a problem of the action of a strong alternating magnetic field and the associated induction in the supply cables.

Samozřejmě jsou známa i zařízení, která využívají technologie Braggovských mřížek. K těmto řešením patří např. US 6448551 B1 „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 6448551 B1 "Fiber Bragg grating sensor system having enhanced strain-wavelength responsiveness by using a spectral beating based vernier effect" - where it is a specific arrangement of a sensor 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 weighing device. Another representative can be CN 201237522 Y Optical grating wighting transducer, when it comes to the use of a combination

- 1 CZ 35341 UI- 1 CZ 35341 UI

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. The Bragg gratings are located in two openings of the supporting profile. This is a specific device design, 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. The Bragg gratings are evenly arranged in the middle position of the side wall of the elastic element.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Zařízení představuje optovláknový senzor, který moduluje deformační změny mechanického zařízení na změny výkonu světla.The device is an optical fiber sensor that modulates the deformation changes of the 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, whose spectra overlap in the unloaded state and can be connected in series or side by side. If they are connected side by side, each of these grilles 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. První z vláken je vedeno do ochrany Braggovských mřížek, přičemž jako první je napojená měřicí 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 basic arrangement of the sensor is an LED diode, which is connected to the optical circulator via an optical fiber. Two optical fibers lead from the optical circulator. The first of the fibers is fed to the protection of the Bragg gratings, the first being the measuring Bragg grating and the second being the connecting Bragg grating. The second optical fiber is fed to a photodetector, which is connected via a connecting cable to an A / D converter, which is connected with the same cable to a computer unit, which can be a DSP digital signal processor or eg 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 in series, then the reference Bragg grating is placed in a separate protection, is connected by an optical fiber to an optical circulator and then a photodetector and other components are connected to it, as mentioned 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.The fiber optic Bragg sensor reflects a narrow spectral part of the light, the position of which in the spectrum changes with the deformation acting on the optical fiber. This sensor is installed on the discharge device so that one Bragg grid is sensitive to the deformations that occur in the mechanical part of the discharge device during the dumping of the dustbin. The second Brag lattice is installed in a place where the deformation is zero (or the same size with the opposite sign). This method of installation allows the change in deformation to affect the shift of only one spectrum (or both spectra in opposite directions), thereby changing the reflected power from the pair of Bragg gratings. 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 lepicí páska (Braggovská mřížka je zalepena), kovové pouzdro, plastová krabička apod.As mentioned above, the sensor uses a pair of encapsulated Bragg gratings and for the purposes of this application the light source is an LED with a near-infrared optical spectrum and a spectrum width of at least 2 nm, a circulator, a photodetector and signal processing / evaluation circuits. For the purposes of this application, the protection that is applied to Bragg grids means the use of, for example, waterproof and mechanically resistant rubber adhesive tape (Bragg grating is glued), a metal case, a plastic box, etc.

Objasnění výkresůExplanation 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 této fáze (Bl), které odpovídají kmitům zdvihacího zařízení. Na obr. 4 je pak zobrazena závislostFIG. 1 shows a circuit diagram according to an exemplary embodiment 1. FIG. 2 then represents an analysis of the signal measurement process (light output) during the dustbin emptying process according to embodiment 1, wherein phase A - represents the idle state before the start of the emptying process, phase B - emptying process, phase C - displacement 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 phase (B1) are marked, which correspond to the oscillations of the lifting device. Fig. 4 then shows the dependence

-2 CZ 35341 Ul periody kmitání zdvihacího zařízení a hmotnosti odpadu popelnice. Obr. 5 představuje schéma zapojení dle příkladu uskutečnění 2.-2 CZ 35341 Ul periods of oscillation of the lifting device and weight of the waste bin. Giant. 5 is a circuit diagram according to an exemplary embodiment 2.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Příklad 1Example 1

V tomto příkladě jsou Braggovské mřížky 4, 5 umístěny na jednom optickém vláknu 2 a jsou umístěny v 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 měřicí 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 centrální část odrazného spektra pro měřicí Braggovskou mřížku 4 je 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 located on one optical fiber 2 and are located in the protection 10. The LED 1 is connected to the optical circulator 3 via an 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 fed to the protection 10 of the Bragg gratings 4, 5, the first being the measuring Bragg grating 4 and the second being the connecting Bragg grating 5. 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 μm. 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 μm. The second optical fiber 2 is fed to a photodetector 6, which is connected via an connecting cable 7 to an A / D converter 8, 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 měřicí 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 glue, so that instead of the maximum deformation the measuring Bragg grating 4 is placed and instead of zero deformation the reference Bragg grating 5 is placed. via the optical circulator 3 to the Bragg gratings 4, 5. The reflected light from these Bragg gratings 4, 5 is fed back via the optical circulator 3 to the photodetector 6. The electrical signal from the photodetector 6 is fed by the connecting cable 7 via the A / D converter 8 to the DSP- digital signal processor 9, where the signal is processed. The result of the processing is information on the weight of the 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 was performed for 1 week. During this time, a total of 1305 emptying cycles were performed, during which 856.45 kg was emptied from the collection containers. This checkweighing was carried out in the standard way before the waste slept. 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 měřicí 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 for forklift trucks), construction (weighing the contents of the blade on an excavator), etc.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

Fiber sensor for dynamic weighing of waste when dumping bins, comprising Bragg gratings and optical fibers, characterized in that the sensor comprises an LED diode (1) which is connected to the optical circulator (3) by means of an optical fiber (2) , from which two branches of optical fibers (2) emanate, 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 an A / D converter (8), which is further connected by a connecting cable (7) to a DSP-digital signal processor (9).

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

Fiber sensor for dynamic waste weighing according to Claim 1 or 2, characterized in that the measuring Bragg grating (4) and the reference Bragg grating (5) are provided with a protection (10).