DE2512494A1

DE2512494A1 - Abtastvorrichtung zur erfassung kleiner gegenstaende

Info

Publication number: DE2512494A1
Application number: DE19752512494
Authority: DE
Inventors: George Henry Fathauer
Original assignee: Dickey John Corp
Current assignee: Dickey John Corp
Priority date: 1974-04-29
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-11-06
Also published as: CA1012237A; US3881353A; DE2512494C2; GB1498742A

Description

PIQFMFHHRXSPFfSFR Patentanwälte

EISENFUHR & bPblbfcK ^ ^ _{GÜNTHER EISENFÜHR}

DiPL-lNG DIETER K. SPEISER BREMEN Dr her NAT HORST ZINNGREBE

UNS ZEICHEN : D 203

Anmelder/iNH. Dickey-John Corporation
Aktenzeichen: ileuanmeldung

datum.20. März 1975

Dickey-john Corporation, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, Post Office Box 10, Auburn, Illinois 62615 (V.St.A.)

Abtastvorrichtung zur Erfassung kleiner Gegenstände

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastvorrichtung zur Erfassung von durchwandernden schnellen und relativ kleinen Gegenständen, insbesondere von Saatkörnern im Bereich der Landwirtschaft. Dennoch sei vermerkt, daß die Abtastvorrichtung auch auf verschiedenen anderen Gebieten eingesetzt werden kann, wo es gilt, den Durchgang von Projektilen durch eine gegebene Zone oder dergleichen zu überwachen.

Eine derartige Abtastvorrichtung kann verwendet werden in Verbindung mit einer Aussaat-Überwachungsvorrichtung, wie sie im US'Patent 3 723 989 des gleichen Anmelders beschrieben worden ist. Gegenstand dieses US-Patents ist ein elektronischer Aussaat-Monitor,in den ein Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Schaltung eingespeist werden kann, um eine direkte Ablesung der ausgesetzten Saatkorndichte zu erhalten.

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Bekanntlich benutzen Bauern bei der mechanisierten Aussaat verschiedener Saatgüter von Traktoren gezogene Saatsetzmaschinen. An derartigen Saatsetzmaschinen befinden sich gewöhnlich mehrere räumlich getrennte Aus— saatvorrichtungen, von denen jede aus einem separaten Trichter oder Behälter mit Saatgut versorgt wird, so daß mehrere Saatkornreihen gleichzeitig ausgepflanzt werden. Vor der Erfindung des in dem erwähnten US-Patent beschriebenen Monitors wurden Aussaatgeräte benutzt, die es dem Bauern schwer, wenn nicht unmöglich machten, die tatsächliche Zahl von über eine gegebene Fläche verteilten Saatkörnern bzw. die Aussaatdichte zu bestimmen. Mit der in dem genannten Patent offenbarten Ausrüstung ist dies nun möglich. Das Gerät hat jedoch den Nachteil, daß der Leistungsbedarf der darin verwendeten bekannten Abtastvorrichtungen relativ groß ist, in einigen Fällen bis zu 600 Milliwatt oder mehr für jeden Sensor. Ferner war es bei der bekannten Aussaat-Ausrüstung aus Gründen der Zuverlässigkeit notwendig, daß die Saatkörner im Abgabeschacht auf eine relativ enge Querschnittsfläche fokussiert werden mußten, damit ein fotoelektrisches Abtastsystem zur Überwachung des Saatgut-Durchlaufs verwendet werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der genannten Art so zu verbessern, daß sie bei einem wesentliche geringeren Leistungsbedarf als bekannte Vorrichtungen in der Lage ist, den Durchlauf relativ kleiner Gegenstände wie Saatkörner mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit abzutasten, und dies innerhalb einer Öffnung von relativ großem Querschnitt und ohne Notwendigkeit, den Durchlauf auf einen relativ engen Querschnitt zu fokussieren.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des ersten Anspruchs gelöst. Kurz zusammengefaßt gehört zu der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung ein Paar piezoelektrischer Keramikelemente, die beiderseits eines Saatkorn-Abgabeschachtes angeordnet sind. Das eine der Keramikelemente arbeitet als Sender, und das andere als Empfänger. Mit dem Sender ist eine Treiberschaltung, und mit dem Empfänger eine Empfangsschaltung gekoppelt, und eine Kopplung zwischen Treiberschaltung und Empfangsschaltung arbeitet als Rückkopplungsschaltung. Die Kombination aus Treiber-, Empfangs- und Koppelschaltung, zusammen mit den piezoelektrischen Elementen und dem Luftspalt zwischen ihnen, bilden eine selbsterhaltende Oszillatorschaltung, die mit einer vorbestimmten Frequenz arbeitet. Die Wellenlänge der zwischen den piezoelektrischen Elementen durchgehenden Ultraschallenergie ist bestimmt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit geteilt durch die Frequenz. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger entspricht einer ganzzahligen Anzahl halber Wellenlängen, um eine maximale Empfindlichkeit der Gesamt— schaltung zu gewährleisten, so daß die geringste Änderung in Frequenz und/oder Kopplung feststellbar ist. Wenn dann Gegenstände zwischen den piezoelektrischen Sende- und Empfangselementen hindurchwandern, was zu einer geringen Frequenzänderung in der Schaltung führt, dann können diese auch bei relativ hohen Geschwindigkeiten festgestellt werden. Der Ausgang der Empfangsschaltung ist ferner an eine Impulsformerschaltung angeschlossen, welche ein Zähl—Ausgangssignal erzeugt, das man einer geeigneten Zählausgangsschaltung oder einer Einrichtung zuführen kann, welche das Saatkorn-Zählergebnis erstellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus-

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führungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung entnommen werden. Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild zur erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung;

Fig. 2 eine abgebrochene Schnittdarstellung zur Anbringung eines Paares piezoelektrischer Keramikelemente an einem Saatkorn-Abgabeschacht, wobei diese Elemente einen einer ganzzahligen Anzahl halber Wellenlängen entsprechenden Abstand beibehalten, und

Fig. 3 eine Wellenform, welche zeigt, daß der

Abstand D in Fig. 2 der ganzzahligen Anzahl halber Wellenlängen entspricht.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild 10 der Abtastvorrichtung enthält zwei in einem Abstand 13 voneinander sich gegenüberliegend angeordnete keramische piezoelektrische Wandlerelemente 11 und 12, die als Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger dienen. Der Abstand 13 zwischen den beiden mit einer Masse belasteten piezoelektrischen Wandlerelementen 11 und 12 ist.so bemessen, daß eine Vielzahl von Saatkörnern 14 nacheinander mit hoher Geschwindigkeit hindurchfallen kann. Der Durchgang eines jeden Saatkorns 14 zwischen Ultraschallsender und -empfänger erzeugt in einer Empfangsverstärkerschaltung 16 eine Ausgangsamplitude. Dieser Wechsel in der Ausgangsamplitude wird an einem Schaltungspunkt 17 abgetastet, der wiederum über einen Kondensator 19 kapazitiv an einen Ausgangstransistor 18 angekoppelt ist.

Das als Ultraschallsender dienende Wandlerelement 11 wird über eine Leitung 21 von einer Treiberverstärkerschaltung 20 erregt. Die gesamte Kombination aus der Treiberverstärkerschaltung 20, der Empfangsverstärkerschaltung 16,

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den piezoelektrischen Wandlerelementen 11 und 12 und dem Luftspalt-Abstand 13 zwischen letzteren bildet eine rückgekoppelte Oszillatorschaltung. Die Rückkopplung dieser Oszillatorschaltung erfolgt vom Schaltungspunkt 17 über einen Widerstand 22 zurück zum Eingang der Treiberverstärkerschaltung 20. Dieser Rückkopplungszweig ist an die Basiselektroden eines Transistor-Paares 23, 24 über deren jeweilige Basiskoppelkondensatoren 26 und 27 angeschlossen. Die Transistoren 23 und 24 arbeiten als Gegentakt-Verstärkerstufe und erzeugen die Treiber— leistung für das piezoelektrische Wandlerelement 11. Der Emitter von Transistor 23 ist über einen Filterkondensator 25 mit Masse und außerdem mit einem sechs-Volt-Anschluß 28 verbunden, von dem auch die Vorspannung für den Transistor 23 über einen Widerstand 29 bezogen wird. Der andere Transistor 24 erhält seine Basisvorspannung über einen Widerstand 30, der zusammen mit einem an Masse gelegten Widerstand 31 eine Spannungsteilerschaltung bildet. An den zusammengeschlossenen Kollektoren der beiden Transistoren 23 und 24 wird die Ultraschall-Sendeleistung abgenommen und über Leitung 21 dem piezoelektrischen Wandlerelement 11 zugeführt.

Hauptbestandteil der Empfangsverstärkerschaltung 16 ist ein in Darlington-Schaltung gekoppeltes Transistorpaar 33, die entweder, wie in Fig. 1 dargestellt, als handelsübliche Einheit mit zwei zeichnungsgemäß zusammengeschalteten Transistoren ausgebildet oder aus zwei separaten Transistorelementen zusammengestellte sein kann. Ferner kann man statt dessen Operationsverstärker oder andere hochempfindliche Verstärkerschaltungen verwenden. Die Betriebsspannung für die Empfangsverstärkerschaltung 16 wird an einem Schaltungspunkt 34 abgegriffen und über einen Widerstand 36 in die beiden zusammengeschlossenen

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Kollektoren des Darlington-Transistorpaares 33 eingespeist. Die Basisvorspannung wird über einen Widerstand 37 erzeugt.

Der Ausgangstransistor 18 erhält über den Kondensator vom Schaltungspunkt 17 eine Wechselspannung, die etwa in der Größenordnung von 80 kHz liegt, und richtet diese Spannung in seiner Basis-Emitterstrecke gleich. Dadurch sowie zusammen mit einer über den Kondensator 19 und einen Widerstand 38 erzeugten Gleichstromvorspannung wird der Transistor 18 leitend, so daß an seinem Ausgangsanschluß 40 etwa Erdpotential herrscht. Eine Reduzierung der Kopplungsenergie zwischen dem Sender-Wandlerelement 11 und dem Empfänger-Wandlerelement 12 führt zu einer Reduzierung des verstärkten Signals am Schaltungspunkt 17, wodurch wiederum der Transistor 18 im wesentlichen sofort in den Sperrzustand übergeht und einen positiven Impuls am Ausgangsanschluß 40 erzeugt. Dieser Impuls mit positivem Potential baut sich über einen Lastwiderstand 41 auf, dessen gegenüberliegendes Ende an einen Stromanschluß 42 angeschlossen ist. Der positive Ausgangsimpuls wird dann in eine Ausleseeinrichtung 44 eingegeben, wie sie im US-Patent 3 723 989 des Anmelders für elektronische Aussaat-Uberwachungsvorrichtungen beschrieben worden ist.

Für die feste Montage der beiden Ultraschall-Wandlerelemente 11 und 12 in einem festen Abstand B voneinander wird mit Vorteil ein in Fig. 2 dargestellter Saatgutschacht 50 verwendet, durch den hindurch die Saatkörner 14 fallen, wenn sie ausgepflanzt werden. Wenn das einzelne Saatkorn 14 durch den Abschnitt hindurchfällt, wo die Wandlerelemente 11 und 12 befestigt sind, erfolgt eine Störung des Ultraschallfeldes, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Transistor 18 sperrt.

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Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, entspricht der Abstand D einer ganzzahligen Anzahl halber Wellenlängen der Ultraschallenergie, so daß eine maximale Kopplungswirkung zwischen dem Sender-Wandlerelementll und dem Empfänger—Wandlerelement 12 erzielt wird. Die ganzzahlige Anzahl halber Wellenlängen im Abstand D bzw. 13 erhöht wesentlich die Empfindlichkeit der gesamten Oszillatorschaltung, so daß die mit hoher Geschwindigkeit hindurchfallenden relativ kleinen Partikel bzw. Saatkörner 14 am Schaltungspunkt 17 eine merkliche Spannungsänderung erzeugen. Wenn Fig. 3 insgesamt sieben halbe Wellenlängen oder dreieinhalb volle Wellenlängen der Sendeenergie im Abstand D zeigt, so kann selbstverständlich auch jede andere geeignete Anzahl halber Wellenlängen darin untergebracht sein.

Da beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die Frequenz bei 80 kHz liegt, entspricht eine halbe Wellenlänge etwa achtzig Tausendsteln von einem Zoll bzw. 25,4 mm. Diese Dimension wird bestimmt durch das Produkt aus der Frequenz und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultra— schallenergie zwischen Senderelement 11 und Empfängerelement 12.

Der als Trageinrichtung dienende Saatgutschacht 50 von Fig. 2 kann ein Rohr mit rundem oder rechteckigem Querschnitt sein, und er besitzt diametral gegenüberliegende Wandabschnitte 51 und 52, in denen die piezoelektrischen Wandlerelemente 11 und 12 jeweils so befestigt sind, daß ihre Sende- bzw. Empfangsoberflächen lla und 12a sich in dem Abstand D genau gegenüberliegen. Hat der als tragendes Element dienende Saatgutschacht 50 einen rechteckigen Rohrquerschnitt, dann reagiert der gesamte Raum zwischen den piezoelektrischen Elementen 11 und 12

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empfindlich auf den Durchgang von Saatkörnern, und dadurch wird die gesamte Vorrichtung wesentlich zuverlässiger. Ein weiterer Vorteil der Schaltung 10 ergibt sich daraus, daß sie annähernd nur etwa vier Milliwatt an Leistung benötigt und somit leicht mit einer kleinen sechs-Volt-Batterie betrieben werden kann. Stellt man aus mehreren kleinen handelsüblichen Batteriezellen eine sechs-Volt-Batterie zusammen, dann kann diese die dargestellte Schaltung 10 bei durchgehendem Vierundzwanzig-Stunden-Detrieb für einen Zeitraum von etwa zwei Monaten mit Strom versorgen. Außerdem ist die beschriebene Saatkorn-Abtastvorrichtung in der Herstellung relativ billig im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen dieser Art.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel, sondern darüber hinaus sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen möglich. Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Abtastvorrichtung zur Erfassung von relativ kleinen Gegenständen wie Saatkörnern, die mit hoher Geschwindigkeit vorbeiwandern, während sie mit hochvolumigen automatischen Pflanzgeräten ausgesät werden, wie sie Bauern benutzen. Die Abtastvorrichtung besitzt ein Paar in einem Abstand voneinander angeordneter Ultraschall-Wandlerelemente, von denen der eine als Sender und der ander e als Empfänger arbeitet. Die Treiberschaltung für den Sender-Wandler hat einen zum Empfangsverstärker des Empfänger-Wandlers rückgekoppelten Strompfad. Das Wandler-Paar bildet zusammen mit der Treiber- und der Empfangsschaltung eine rückgekoppelte Oszillatorschaltung unter Einschluß des Luftspaltes zwischen Sender und Empfänger. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger ist so bemessen, daß eine ganzzahlige Anzahl halber Wellen-

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längen darin Platz findet, damit die durchwandernden schnellen kleinen Partikel mit höchster Empfindlichkeit wahrgenommen werden.

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Claims

Ansprüch

1J Abtastvorrichtung zur Erfassung von durchwandernden schnellen und relativ kleinen Gegenständen, gekennzeichnet durch eine Ultraschall-Übertragungseinrichtung mit einem Ultraschall-Senderabschnitt (11) und einem Ultraschall-Empfängerabschnitt (12), deren Senderabschnitt Ultraschallenergie abstrahlt, deren vorbestimmte Wellenlänge bestimmt ist durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals geteilt durch die Frequenz zwischen dem Senderabschnitt und dem Empfängerabschnitt; eine Trageinrichtung (50) zum Aufnehmen und Halten des Senderabschnitts (11) und des Empfängerabschnitts (12) unter Wahrung eines Abstands (D, 13) zwischen beiden, welcher einer ganszahligen Anzahl halber Wellenlängen der vorbestimmten Wellenlänge entspricht; eine an den Empfängerabschnitt (12) der Ultraschall-Übertragungseinrichtung angekoppelte Verstärkereinrichtung (16) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches dem vom Empfängerabschnitt erhaltenen Signal entspricht; und durch eine an die Verstärkereinrichtung angeschlossene Ausgangseinrichtung (18 )_f zur Erzeugung eines Zählsignals in Abhängigkeit von einer Amplitudenänderung des Ausgangssignals, so daß schnelle und relativ kleine Gegenstände (14)ydie zwischen dem Sender- und Empfängerabschnitt (11, 12) hindurchwandern, eine Amplitudenänderung des Ausgangssignals hervorrufen, der das Zählsignal entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung eine zum Hindurchleiten von

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Saatkörnern (14), während sie gepflanzt werden, eingerichtete Führungsgleitbahn (50) ist, und daß die Ausgangseinrichtung (18) mit einer Zählwert-Ausgabeeinrichtung (44) verbunden ist, welche einen der Anzahl gepflanzter Saatkörner entsprechenden Ausgabewert abgibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderabschnitt (11) und der Empfängerabschnitt (12) in einem Abstand (D, 13) voneinander entfernte separate diskrete Elemente sind, deren abstrahlende bzw. empfangende Oberflächen (lla, 12a) einander zugekehrt sind (Fig. 2).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Elemente (11, 12) massenbelastete piezoelektrische Keramikelemente sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenänderung des Ausgangssignals eine Amplitudenverminderung ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung (16) aus einem direkt stromgekoppelten Transistorpaar (33) besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt gekoppelten Transistoren mit ihren Kollektoren direkt verbunden sind, und daß der Emitter des einen Transistors direkt mit der Basis des anderen Transistors verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Senderabschnitt (11) der Ultraschall-Übertragungseinrichtung eine Treiberverstärkereinrichtung (20)

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angekoppelt ist, an deren Eingang (26, 27) der Ausgang (17) der Verstärkereinrichtung (16) unter Bildung einer Rückkopplungs-Oszillatorschaltung unter Einbeziehung des Senderabschnitts (11), des Eitipfängerabschnitts (12), der Verstärkereinrichtung (16) und der Treiberverstärkereinrichtung (20) angeschlossen ist.
9 ο Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung (18) ein Transistor ist, dessen Basis an die Verstärkereinrichtung (16) angekoppelt ist und das Ausgangssignal aufnimmt und dadurch so vorgespannt wird_r daß der Transistor leitend wird, und daß eine Änderung in der Amplitude des Ausgangssignals den Transistor (18) unter Erzeugung eines Zählsignals in den nicht leitenden Zustand überführt»
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (18) mittels eines Kondensators (19) an die Verstärkereinrichtung (16) angeschlossen ist.
11« Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an den Ultraschall-Senderabschnitt (11) angekoppelte Treiberschaltung (20) zum Betreiben desselben mit einer vorbestimmten Ausgangsfreguenz, eine die Verstärkereinrichtung (16) enthaltende Empfangsschaltung, die an den Ultraschall-Empfängerabschnitt (12) angeschlossen ist und die von ihm empfangenen Ultraschall-Signale verstärkt, und eine zwischen einem ein verstärktes Signal von dem Ausgang der Empfangsschaltung (16) enthaltenden Schaltungspunkt (17) und an den Eingang (26, 27) der Treiberschaltung (20) angeschlossene Koppelschal tunq (22) zur Bildung eines Rückkopplungspfades dorthin, wobei der Ausgangs-Schaltungspunkt (17) ferner mit der Ausgangseinrichtung (18), dem Senderabschnitt

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der Ultraschall-Übertragungseinrichtung, der Empfangsschaltung, der Koppelschaltung und einem Luftspalt (D, 13) zwischen dem Senderabschnitt und dem Empfängerabschnitt verbunden ist, so daß eine mit der genannten Freguenz arbeitende Rückkopplungs-Oszillatorschaltung gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (16) eine Gegentakt—Verstärkerschaltung ist, und daß die Empfangsschaltung durch ein Paar direkt stromgekoppelter Transistoren (33) gebildet wird, deren Kollektoren zusammengeschlossen sind und bei denen der Emitter des einen Transistors direkt mit der Basis des anderen Transistors strommäßig verkoppelt ist.

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