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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Identifizierung von verschiedenem Material und zur Feststellung von Qualitätsunterschieden eines Materials mittels Analyse der Photolumineszenz, wobei die Vorrichtung neben den Parametern der Absorption, Emission und Abklingzeit erfindungsgemäß Messwerte erfasst, die zur Bestimmung von Kennwerten der materialtypischen Quantenausbeute dienen.
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Die Photolumineszenz ist eine physikalische Materialeigenschaft.
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Wird Material mit elektromagnetischen Wellen aus dem Bereich des Lichts bestrahlt, dann kann in dem Material ein Eigenleuchten angeregt werden, dessen Wellenlänge generell länger ist als die des anregenden Lichtes. Die Anregung mit kurzwelligem Licht aus dem UV-Bereich bewirkt besonders bei mineralischen Feststoffen ein solches Eigenleuchten. Die Intensität des Eigenleuchtens ist abhängig von der Wellenlänge und Intensität des anregenden Lichtes sowie von dessen Absorption durch das Material. Die Quantenausbeute ist ein Maß für das Verhältnis von Leistung der Bestrahlung und Leistung der Emission und wird als dimensionslose Zahl in Prozenten dargestellt. Das Eigenleuchten tritt während der Bestrahlung auf und klingt nach Beendigung der Bestrahlung ab.
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Langsam abklingende Photolumineszenz wird Phosphoreszenz, schnell abklingende Fluoreszenz genannt. Ein Material mit schnell abklingendem Eigenleuchten wird populärwissenschaftlich als ein fluoreszierendes Material bezeichnet.
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Die Materialerkennung mittels Photolumineszenz ist ein optisches Verfahren, das berührungslos einen sich bewegenden Materialfluss bemustern kann. Eine Lichtquelle bestrahlt das Material oder einen Bereich, durch den sich Material bewegt. Die Bestrahlung regt in vielen Materialien ein Eigenleuchten an, das von einem oder mehreren Lichtdetektoren erfasst und als elektrisches Signal an eine elektronische Bearbeitung und Auswertung mittels Datenverarbeitung abgegeben wird.
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Die Nutzung einiger Kennwerte der Photolumineszenz zur Materialerkennung oder zur Feststellung von Qualitätsunterschieden in Vorrichtungen, die über Förderbändern installiert sind, ist seit vielen Jahren stand der Technik, wie es zum Beispiel durch die Patentschrift ”Determination of Properties of Coal”, Australien, Beantragung 1986,
PH 9237 belegt ist. Diese Schrift nennt verschiedene Lichtquellen inklusive gepulste Laser und Dauerlicht-Laser verschiedener Wellenlängen von 180 nm bis 450 nm für die Bestrahlung mit UV-Licht und Lichtdetektoren für die Erfassung der Emission von 200 nm bis 1000 nm, wobei spezielle Spektralbanden und die Quotientenbildung von Messwerten aus diesen Spektralbanden angeführt werden.
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Ebenso kommt die Analyse der Photolumineszenz in Geräten zur optischen Sortierung von Einzelstücken zur Anwendung, wie in der Patentschrift ”Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Sortierung von Glas”, Österreich, Beantragung 2006,
EP 1752228 B1 beschrieben. Die Erfassung und Auswertung der Transmission, bzw. Absorption von UV-Licht in transparentem Material ist der wesentliche Gegenstand der Erfindung. In der Patentschrift ”Apparatus and Method for Scanning Products with a Light Beam to Detect and Remove Impurities or Irregularities in a Conveyed Stream of Products”, Europa, Beantragung 2001,
EP 1332353 B1 , ist die Messung der direkten Reflektion und der diffusen Reflektion behandelt. In der beschriebenen Vorrichtung leitet ein rotierender Polygonspiegel einen Laserstrahl durch den Messbereich des Sortiergerätes.
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Die vorab den Stand der Technik beinhaltenden, angeführten Patentschriften gehen davon aus, dass das von der Lichtquelle bestrahlte Materialstück homogen ist oder dass der von einem Lichtstrahl kleinen Durchmessers bestrahlte Oberflächenbereich des Materialstücks repräsentativ für das ganze Einzelstück ist. Diese Annahme ist generell richtig für Schüttgüter wie z. B. Kohle oder Kalkstein, für Nahrungsmittel wie z. B. Nüsse oder Rosinen und für gebrochenes Altglas, wie z. B. das von Getränkeflaschen.
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Soll die Analyse der Photolumineszenz zur Identifizierung oder Qualitätsbestimmung von Gesteinen/Erzen dienen, dann ist zwischen relativ homogenem, monomineralischem Material, wie z. B. mikrokristallinen, chemischen Sedimenten (Steinsalz, Kalisalz, Kieserit, Kalkstein, Dolomit und Magnesit) und inhomogenen, polymineralischen, grobkristallinen, magmatischen oder metamorphen Gesteinen/Erzen zu unterscheiden. Besonders wichtig ist eine solche Unterscheidung für die Auslegung von Vorrichtungen für die Einzelstücksortierung.
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Die Photolumineszenz von Mineralen ist generell sehr kurzlebig.
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Deshalb spricht auch die Fachwelt von ”fluoreszierenden Mineralen” und meint damit die Minerale, die eine Photolumineszenz aufweisen.
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Nachfolgend werden bevorzugt die Begriffe Fluoreszenz stellvertretend für Photolumineszenz und fluoreszierende Minerale stellvertretend für andere Feststoffe sowie für Flüssigkeiten zur Erklärung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet.
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Ein die wirtschaftliche Sortierung von Einzelstücken beeinflussender Faktor ist die Durchsatzmenge, die generell von der Korngröße des mineralischen Schüttgutes abhängt und umso größer ist, je größer und einheitlicher die Korngröße ist. In einem inhomogenen Stück Gestein/Erz von bis zu 150 mm Durchmesser können die verschiedenen Minerale sehr unterschiedlich verteilt sein.
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Die Emissionsspektren der Fluoreszenz von Mineralen sind mit Halbwertbreiten von ungefähr 150 nm bis 300 nm sehr breit. Besteht ein Gestein/Erz aus einem Mineralgemisch, so überlagern sich die verschiedenen Emissionsspektren und es sind nur die Summenkurven zu messen. Die Intensität eines Fluoreszenzsignals ist neben den Parametern des anregenden Lichtes abhängig von der Größe der angestrahlten Oberfläche, von den dort freiliegenden Mineralen und deren jeweiligen, typischen Parametern des Eigenleuchtens. Sind in einem polymineralischen Gestein/Erz einzelne Minerale entweder als Wertstoff oder aber auch als den Wert mindernder Schadstoff von besonderer Bedeutung, dann sind für diese Minerale die optimale Anregungswellenlänge und die Schwerpunktwellenlänge des Emissionsspektrums einer Auslegung der Vorrichtung zugrunde zu legen. Dadurch ist zu erreichen, dass in einem polymineralischen Gestein/Erz bevorzugt die Fluoreszenz der Minerale von wirtschaftlicher Bedeutung angeregt wird.
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Bei der Auslegung einer optischen Vorrichtung zur Materialerkennung oder zur Ermittlung von Qualitätsunterschieden sind sowohl der Abstand zwischen Material und Vorrichtung, die Leistung der das Material anstrahlenden Lichtquellen wie auch die Empfindlichkeit der ein Eigenleuchten und reflektiertes Licht erfassenden Lichtdetektoren sowie gegebenenfalls die Erfassung von Größe und Position von Materialstücken, deren Bewegungsgeschwindigkeit in einem Messbereich sowie die vorab genannten Probleme von homogenem oder inhomogenem Material zu berücksichtigen. Alle diese Faktoren sind nicht konstant, sondern weisen eine Streuung auf. Wird zum Anregen einer Fluoreszenz beispielsweise ein im tiefen UV bei 266 nm emittierender, gepulster Laser eingesetzt, dann können die Puls-zu-Puls-Schwankungen der Leistung plus/minus 10% vom Mittelwert (zwei Standardabweichungen) betragen. Des Weiteren sind die Leistung einer Lichtquelle und auch die Empfindlichkeit von Lichtdetektoren temperaturabhängig. Zusätzlich hat ein Alterungsprozess Auswirkungen auf die Leistung einer Lichtquelle und auch auf die Empfindlichkeit von Lichtdetektoren, wie zum Beispiel bei Photomultipliern. Der Anteil von einzelnen Mineralen an der bemusterten Oberfläche eines polymineralischen Gesteins/Erzes ist zufallsabhängig und kann ebenfalls deutlich schwanken.
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Die Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen sind, dass sie keine Messwerte zur Ermittlung von Kennwerten der Quantenausbeute messen können und somit diese nicht zur Materialerkennung zur Verfügung stehen, obwohl die eine Quantenausbeute beschreibenden Parameter weitestgehend unabhängig von den verschiedenen Schwankungen der Einflussfaktoren sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels Analyse der Photolumineszenz die Materialerkennung von Schüttgut und besonders von Einzelstücken unabhängig von ihrer Größe, bei inhomogenem Material unabhängig von der Größe der fluoreszierenden Anteile an der sichtbaren Oberfläche zu ermöglichen und den negativen Einfluss von anderen die Messergebnisse beeinflussenden Schwankungen zu minimieren.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In einer solchen Vorrichtung erfolgt die Bestrahlung eines sich durch den Messbereich bewegenden Materialstücks mit zwei Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge und gleichem Querschnitt, aber unterschiedlichen Leistungen oder aber mit einem Lichtstrahl, dessen Leistung zwischen zwei Werten wechselt. Gemessen werden die Lichtleistung in den Lichtstrahlen und die Intensität der jeweiligen Fluoreszenz. In einer linearen Darstellung der Intensität als Funktion der Lichtleistung ist die Steigung der Linie ein Maß für die materialtypische Quantenausbeute. Bei ruhendem Material kann die Vorrichtung über das Material hinweg bewegt werden.
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Die Vielzahl der möglichen Auslegungen einer Vorrichtung mit zeitlich oder örtlich aufeinander folgenden Lichtstrahlen unterschiedlicher Leistung ergibt sich aus der Anzahl der eingesetzten Lichtquellen und der Verwendung von Dauerlicht, moduliertem Dauerlicht oder gepulstem Licht. Des Weiteren ist von entscheidender Bedeutung, wie das Material sich bewegt, zum Beispiel als Schüttgut auf einem Förderband transportiert wird oder als Einzelstücke im freien Fall durch den Messbereich eines optischen Sortiergerätes fällt. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, ob in dem Messbereich Teilflächen von Lichtstrahlen mit großem Querschnitt bestrahlt werden oder ob die Lichtstrahlen mit kleinem Querschnitt den Messbereich in schneller Folge durchlaufen, d. h. in dem Messbereich als Scanner arbeiten.
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Eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung ist bei Verwendung einer Lichtquelle mit Dauerlicht die Teilung eines kollimierten Lichtstrahls mittels Strahlteiler in zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Leistung, die jeweils gemessen wird, die Aufweitung der Lichtstrahlen, so dass in dem Messbereich zwei Flächen gleicher Größe angestrahlt werden, und die Bemusterung des Messbereiches mit einer Matrixkamera, die sowohl die Intensität einer Fluoreszenz als auch die Position und Größe von Einzelstücken im Messbereich erfasst.
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Bei Verwendung von zwei Dauerlicht-Lichtquellen mit Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge und Dimensionierung, aber unterschiedlicher Leistung kann der gleiche Effekt erreicht werden.
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Eine weitere Ausführung der Vorrichtung berücksichtigt den Bedarf einer hohen Leistungsdichte in der bestrahlten Oberfläche des Materials bei einer niedrigen Quantenausbeute des Materials oder bei geringer Leistung der Lichtquelle. Der Lichtstrahl einer Lichtquelle mit Dauerlicht hat einen kleinen Querschnitt. Ein Strahlteiler zerlegt diesen Lichtstrahl in zwei Strahlen unterschiedlicher Leistung, die mit unterschiedlichem Winkel auf einen rotierenden Polygonspiegel auftreffen und von diesem reflektiert in schneller Folge den Messbereich mit vorgegebenem Abstand zueinander durchlaufen.
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Anstelle der einen Lichtquelle mit Strahlteiler können auch hier zwei Lichtquellen mit unterschiedlicher Leistung zum Einsatz kommen.
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Anstatt der zwei räumlich getrennten Lichtstrahlen unterschiedlicher Leistung, die zeitlich nacheinander sich bewegendes Material bestrahlen, kann in einer weiteren Ausführung ein modulierter Lichtstrahl einer Dauerlichtquelle nach Aufweitung eine relativ große Fläche in einem Messbereich anstrahlen oder mit kleinem Durchmesser über einen rotierenden Polygonspiegel den Messbereich durchlaufen. Der Modulator schwächt zum Beispiel mittels einer rotierenden Scheibe mit abwechselnd freien Öffnungen und Neutraldichtefiltern den Lichtstrahl zeitweise auf eine vorgegebene Leistung ab. Die Modulation eines Lichtstrahls aus einer Lichtquelle mit Dauerlicht kann auch durch die elektrische Modulation der Lichtquelle selbst erfolgen, so dass die Leistung der Bestrahlung des Materials zwischen zwei Werten wechselt.
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Die Verwendung von gepulsten Lichtquellen, so z. B. Lasern, die mit einer Doppelpulsfunktion ausgestattet sind, ermöglichen in einer weiteren Ausführung der Vorrichtung bei unterschiedlicher Leistung der Einzelpulse eines Doppelpulses die zeitlich nacheinander erfolgende Bestrahlung eines Materials mit wechselnder Lichtleistung, wobei der Lichtstrahl aufgeweitet eine größere Fläche im Messbereich oder über einen rotierenden Polygonspiegel durch den Messbereich geführt eine kleine Fläche bestrahlt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 das Ergebnis von Messungen der Fluoreszenzintensität bei variabler Leistung der anregenden Lichtquelle.
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2 die Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei jeweils einen relativ großen Teilbereich des Messbereiches bestrahlenden Lichtstrahlen unterschiedlicher Leistung und Bemusterung des Messbereiches mit einer Kamera.
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3 die Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei von einem rotierenden Polygonspiegel durch den Messbereich geführten Lichtstrahlen unterschiedlicher Leistung und kleinen Durchmessers sowie Bemusterung der jeweils angestrahlten, kleinen Teilflächen über den Polygonspiegel.
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4 die Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem einen Teilbereich des Messbereiches bestrahlenden, modulierten Lichtstrahl einer Dauerlichtquelle oder doppelt gepulsten Laserstrahl und Beobachtung des Teilbereiches.
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In 1 sind die Messwerte der Fluoreszenzintensitäten für drei verschiedene Materialien, hier Kalkspat (Probe A), Gips (Probe B) und Quarz (Probe C) bei einer variablen Leistung der die Photolumineszenz anregenden Lichtquelle gezeigt. In einem weiten Bereich ist die Beziehung zwischen Fluoreszenzintensität und Leistung der Lichtquelle angenähert linear und lässt sich durch eine Gerade darstellen. Die Steigung der Geraden ist ein Maß für die Quantenausbeute des Materials. Haben verschiedene Materialien verschiedene Quantenausbeuten, dann kann die ermittelte Steigung der Geraden für die Identifizierung des Materials verwendet werden.
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2 zeigt die aus einem von einer Lichtquelle 1 mit Dauerlicht ausgehenden und durch einen Strahlteiler 2 ungleichmäßig geteilten zwei Lichtstrahlen 3a und 3b, die jeweils Messgeräte 4 zur Erfassung der Leistung und Strahlaufweitungen 5 zur Gestaltung der angestrahlten Teilbereiche 6a und 6b in dem Messbereich 7 durchlaufen. Bewegt sich Material 12 in Richtung 14 durch den Messbereich 7, dann kann in den Teilbereichen 6a und 6b in dem Material 12 eine Fluoreszenz angeregt werden, die als diffuse Lichtquelle leuchtet und von der die Kamera 10 einen Teil 8 erfasst.
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3 zeigt die aus einem von einer Lichtquelle 1 mit Dauerlicht ausgehenden und durch einen Strahlteiler 2 ungleichmäßig geteilten zwei Lichtstrahlen 3a und 3b, deren Leistung in Messgeräten 4 erfasst wird und die über einen Polygonspiegel 11 in räumlichem Abstand zueinander in Richtung 13 durch den Messbereich 7 laufen und jeweils einen kleinen Teilbereich bestrahlen. Trifft ein Lichtstrahl auf Material 12, das sich in Richtung 14 durch den Messbereich bewegt, und regt eine Fluoreszenz an, dann durchläuft ein Teil des diffusen Fluoreszenzlichtes 8a und gegebenenfalls 8b den Strahlengang des anregenden Lichtes in umgekehrter Richtung und gelangt über den Polygonspiegel 11 zu dikroitischen Strahlteilern 9, die das Fluoreszenzlicht auf die Empfangsoptik mit Lichtdetektoren 10a und gegebenenfalls 10b umlenken. Die schematische Darstellung der 4 zeigt eine Lichtquelle 1a und einen Lichtstrahlmodulator 1b, den zeitweise modulierten Lichtstrahl 3c, einen Leistungsmesser 4, den rotierenden Polygonspiegel 11 und den Messbereich 7, der vom Lichtstrahl 3c in Richtung 13 durchlaufen wird. Trifft der Lichtstrahl 3c im Messbereich 7 auf ein Materialstück 12 und erzeugt ein diffuses Fluoreszenzlicht, dann durchläuft ein Teil 8c dieses Fluoreszenzlichtes den Strahlengang des anregenden Lichtes in Gegenrichtung und wird von einem dikroitischen Strahlteiler 9c zu der Empfangsoptik 10c gelenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- PH 9237 [0006]
- EP 1752228 B1 [0007]
- EP 1332353 B1 [0007]
