-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtschranke zur Bestimmung des Werkstoffes eines lichtwellendurchlässigen Gegenstandes nach den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.
-
Es ist beispielsweise aus der
DE 2924489 A1 bekannt geworden, eine Sensoreinrichtung für blattförmiges Material derart auszustatten, dass durch diese transparentes Kopiermaterial detektierbar ist. Solche Sensoreinrichtungen sind in der nachfolgenden technischen Entwicklung auch in der Recyclingindustrie eingesetzt worden, um unterschiedliche Werkstoffe zu erkennen und diese zu sortieren. Solche Sensoreinrichtungen sind daher geeignet, in der Recyclingindustrie als Lichtschranken zur Erkennung und Sortierung eines Gegenstandes aus Kunststoff oder Glas verwendet zu werden. Durch solche Sensoreinrichtungen können farblose oder eingefärbte transparente Kunststoffe bzw. Weißglas, Braunglas, Grünglas oder dergleichen erkannt werden.
-
Bei der Herstellung von Kunststoffgegenständen, beispielsweise Flaschen, ist der Kunststoff in eine Richtung gestreckt oder gezogen; dabei verändern sich dessen optische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Schwingungsebene bzw. der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes.
-
Es ist bekannt, zur Unterscheidung von transparentem Kunststoff und Glas, diesen Lichteffekt auszunutzen, so dass durch die unterschiedliche Polarisation des Kunststoffmaterials, im Vergleich mit Gegenständen aus Glas, diese Lichteffekte gemessen werden können. Glasgegenstände polarisieren das einfallende Licht nahezu nicht. Insbesondere wenn die Lichtpolarisation um 45° versetzt zu der Streckrichtung des Kunststoffgegenstandes auf diesen auftrifft, kann die Veränderung der Polarisationsrichtung optimal gemessen werden.
-
Als nachteilig bei den bekannt gewordenen Lichtschranken hat sich herausgestellt, dass bei dunkel eingefärbten Kunststoff-Gegenständen nahezu keine messbaren Lichteffekte im Vergleich mit Glas-Gegenständen auftreten, da bei diesen die durch die im Kunststoff auftretende Depolarisation stattfindende Lichtstärkenerhöhung durch die Färbung des Kunststoff-Gegenstandes erheblich gedämpft ist, so dass diese gemessenen Lichtstärken nicht wesentlich größer sind als die durch die schwach depolarisierenden Gegenstände erzeugten Lichteffekte. Des Weiteren treten Totalreflektionen am Flaschenboden auf, durch die eine De- oder Umpolarisierung des Lichtes erfolgt.
-
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lichtschranken ist die schwierige Einstellung der Lichtschranke, da der Empfänger auf ein Signalminimum zu justieren ist. Dieses kann jedoch auch dann auftreten, wenn der Lichtstrahl des Senders nicht optimal in die Empfängeroptik eintritt; somit ist eine einfache und nachprüfbare Einstellung des von dem Sender emittierten Lichtstrahles auf den Empfänger nicht möglich.
-
Darüber hinaus ist es bekannt, dass die Kunststoff-Gegenstände aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehen können, beispielsweise aus braunem, grünem oder weißem Kunststoff. Die bekannt gewordenen Lichtschranken können nachteiligerweise nicht erkennen, ob ein farbiger oder klarer Gegenstand in die Lichtschranke eingefahren ist, so dass eine Sortierung von gefärbten und klaren Gegenständen nicht möglich ist.
-
Aus der
DE 200 03 675 U1 ist eine Lichtschranke zu entnehmen, die aus zwei Sendern und zwei Empfängern gebildet ist, um innerhalb einer Überwachungsstrecke feststellen zu können, ob ein lichtdurchlässiges oder lichtundurchlässiges Objekt zwischen dem jeweiligen Sender und Empfänger vorhanden ist. Die von den Sendern ausgestrahlten Lichtwellen werden dabei durch einen Polarisator gedreht und gegebenenfalls von einem dem jeweiligen Empfänger vorgeschalteten weiteren Polarisator mit einer geänderten und versetzten Drehrichtung aufgefangen und an den Empfänger weitergegeben. Durch eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung werden die von den beiden Empfängern generierten Schaltsignale mit voreingestellten Schwellwerten verglichen, um daraus Rückschlüsse ziehen zu können, ob ein lichtundurchlässiger bzw. lichtdurchlässiges Objekt innerhalb der Überwachungsstrecke eingeführt ist.
-
Als nachteilig bei diesem Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe einer solchen Ausführung einer Lichtschranke überhaupt keinerlei zuverlässige Rückschlüsse möglich sind, welche Gegenstände in dem Überwachungsbereich der Lichtschranke eingeführt wurden. Insbesondere kann mit Hilfe einer solchen Lichtschranke nicht festgestellt werden, aus welchem Werkstoff die eingeführten Objekte bzw. Gegenstände gefertigt sind. Eine solche Lichtschranke ist daher für die Recyclingindustrie bzw. für die automatisierte Sortierung von lichtdurchlässigen Werkstoffen nicht einsetzbar.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lichtschranke der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, dass sowohl unterschiedliche Werkstoffe von lichtwellendurchlässigen Gegenständen erkennbar sind, dass eine Sortierauswahl zwischen unterschiedlich farblich gestalteten Gegenständen unabhängig, ob diese aus Glas oder Kunststoff gefertigt sind, erfolgen kann und dass gleichzeitig die Justierung der Lichtschranke bei deren Inbetriebnahme oder Neuausrichtung auf möglichst einfache und nachprüfbare Art erreicht und auf eine zeitlich überschaubare Periode begrenzt ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Patentansprüche 1 oder 2 gelöst.
-
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Dadurch, dass die Lichtschranke aus zwei räumlich voneinander getrennten Empfängern besteht, die die von dem Sender emittierten Lichtwellen jedoch gleichzeitig aufnehmen und in unterschiedlicher Art und Weise diese Lichtwellen messen und auswerten, ist erreicht, dass durch die Lichtschranke eine Sortierauswahl zwischen Kunststoff-Gegenständen und Glas-Gegenständen sowie zwischen unterschiedlich farblich gestalteten Kunststoff-Gegenständen geschaffen ist und dass auch bei der Justierung der Lichtschranke die Ausrichtung des Lichtwellenstrahles durch die Polarisatoren hindurch zu den Empfängern ohne zeitliche Verzögerung und technische Schwierigkeiten einstellbar ist.
-
Die beiden Empfänger generieren nämlich unterschiedliche elektrische Messwerte in Abhängigkeit von dem hindurchgetretenen Licht, das auf diese auftrifft. Durch den zusätzlichen zweiten Empfänger ist somit eine erweiterte Messwertematrix geschaffen, durch die die Auswerteeinheit feststellen kann, ob ein Gegenstand aus Kunststoff oder Glas und ob der Gegenstand aus klarem oder eingefärbtem Material besteht.
-
Mittels des zweiten Empfängers ist auch die Justierung der Lichtschranke insgesamt erleichtert, denn das von dem Sender emittierte Licht ist derart auszurichten, dass dieses auf den zweiten Empfänger auftrifft. Die Schwierigkeit, dass bei bekannten Lichtschranken der Empfänger keine Lichtwellen aufnimmt, wenn kein Kunststoff-Gegenstand zwischen den beiden Polarisatoren angeordnet ist, ist somit behoben.
-
In der Zeichnung sind vier erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele einer Lichtschranke dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:
-
1a das Funktionsprinzip einer bekannten Lichtschranke, bestehend aus einem Lichtwellen emittierenden Sender, dessen Lichtwellen durch zwei zueinander unterschiedlich ausgerichtete Polarisatoren verlaufen, und aus einem Empfänger, durch den die von dem Sender ausgestrahlten Lichtwellen aufgenommen sind, in schematischer Ansicht,
-
1b die Lichtschranke gemäß 1a mit einem Gegenstand aus Kunststoff, der zwischen den beiden Polarisatoren angeordnet ist,
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lichtschranke, die nach dem Funktionsprinzip der Lichtschranke der 1a arbeitet, mit einem zweiten Empfänger, der von einem Lichtwellenteiler einen von dem Sender emittierten Lichtwellenanteil erhält und mit einer Auswerteeinheit, durch die die von den beiden Empfängern generierten Messwerte miteinander verglichen und mathematisch korreliert sind,
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer nach der 1a arbeitenden Lichtschranke mit zwei Empfängern, denen jeweils ein Polarisator vorgeschaltet ist und die das von dem Sender emittierte Licht aus zwei Linsen gespeist erhalten, sowie mit einer Auswerteeinheit, durch die die von den beiden Empfängern generierten Messwerten verglichen und mathematisch korreliert sind,
-
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer nach der 1a arbeitenden Lichtschranke bestehend aus einer Linse, durch die die von dem Sender abgegebenen Lichtwellen auf einen Lichtwellenteiler geleitet sind, durch den die beiden Empfänger mit den Lichtwellen gespeist sind und mit einer Auswerteeinheit, durch die die von den Empfängern generierten Messwerte miteinander verglichen und mathematisch korreliert sind und der eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, durch die die Empfänger, der Lichtwellenteiler, die Linse und der Polarisator einstellbar sind und
-
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer nach der 1a arbeitenden Lichtschranke bestehend aus einer Linse, durch die die von dem Sender abgegebenen Lichtwellen auf einen Lichtwellenteiler geleitet sind, durch den die beiden Empfänger mit den Lichtwellen gespeist sind und mit einer Auswerteeinheit, durch die die von den Empfängern generierten Messwerte miteinander verglichen und mathematisch korreliert sind und mit zwei Polarisationsfiltern, die mit zirkularer oder elliptischer Polarisation arbeiten.
-
In den 1a und 1b ist das Funktionsprinzip von bekannten Lichtschranken 1 abgebildet, durch die der Werkstoff eines lichtdurchlässigen Gegenstandes 2 erkannt werden soll, so dass mittels der Lichtschranke 1 eine Sortierauswahl für die durch die Lichtschranke 1 hindurch geführten Gegenstände 2 in Abhängigkeit von deren Werkstoff vorgenommen ist.
-
Die Lichtschranke 1 besteht dabei aus einem Sender 4, durch den Lichtwellen 5 emittiert werden. Bei dem Sender 4 handelt es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder um eine Laserstrahlen aussendende Lichtquelle. Der Sender 4 erzeugt Lichtwellen 5, die in eine Vielzahl von Polarisationsrichtungen ausgestrahlt, also unpolarisiert sind; es ist jedoch auch möglich, dass der Sender 4 bereits Lichtwellen 5 emittiert, die in eine bestimmte Polarisationsrichtung polarisiert sind.
-
Um die Lichtwellen 5 in eine vorgegebene Polarisationsrichtung 5' zu überführen, ist ein Polarisator 6 vorgesehen, durch den die emittierten Lichtwellen 5 teilweise hindurch treten. Der Polarisator 6 weist eine Polarisationsebene von 45° geneigt zur Horizontebene auf, so dass ein Anteil der Lichtwellen 5, die durch den Polarisator 6 gelangen, in dieser 45°-Richtung polarisiert ist. Die derart polarisierten Lichtwellen 5' werden gemäß 1b von dem lichtdurchlässigen Gegenstand 2, der eine de- oder umpolarisierende Wirkung aufweist, teilweise de- oder umpolarisiert, wie beispielsweise mit den Polarisationsrichtungen 5' und 5'' dargestellt. Dieser Effekt tritt besonders dann auf, wenn die Streckrichtung 3 um 45° gegenüber der Polarisationsrichtung gedreht ist. Bei der Herstellung von Kunststoffflaschen wird der Kunststoff in die Streckrichtung 3 gestreckt.
-
Dem Gegenstand 2 ist ein zweiter Polarisator 8 nachgeschaltet, dessen Polarisationsebene 10 um 90° verdreht zu der Polarisationsebene 9 des Polarisators 6 ausgerichtet ist. Somit verlaufen die Polarisationsebenen 9 und 10 der beiden Polarisatoren 6 und 8 um 45° gedreht relativ zu der Streckrichtung 3 des Gegenstandes 2.
-
Die Ausrichtung der Polarisationsebene 10 des Polarisators 8 bewirkt, dass durch diesen Lichtwellenanteile, die in Richtung 5''' ausgerichtet sind, hindurch treten und von einem dahinter angeordneten Empfänger 7 aufgefangen werden.
-
Diese bekannte Lichtschranke dient im Wesentlichen dazu, PET-Flaschen oder Kunststoff-Gegenstände zu detektieren, so dass diese aussortierbar sind.
-
Ziel der Erfindung ist es nunmehr, nicht nur Kunststoff-Gegenstände 2, sondern auch Gegenstände 2 aus Glas zu detektieren und darüber hinaus die unterschiedlichen Farben von Kunststoff- und Glas-Gegenständen 2 erfassen zu können, so dass mittels der erfindungsgemäßen Lichtschranke 1 eine Sortierung sowohl hinsichtlich der unterschiedlichen Werkstoffe Glas und Kunststoff als auch hinsichtlich der unterschiedlichen Farbgebungen der Gegenstände 2 erfolgt.
-
Die in den 2, 3, 4 und 5 abgebildeten und nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Lichtschranke 1 bestehen aus einem zweiten Empfänger 11, der räumlich beabstandet zu dem ersten Empfänger 7 angeordnet ist. Allen vier Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass ein bestimmter Lichtwellenanteil der von dem Sender 4 emittierten Lichtwellen 5 sowohl den ersten als auch den zweiten Empfänger 7 und 11 erreicht und von diesen zu einem Messwert X bzw. Y generiert ist. Die Messwerte X und Y der Empfänger 7 bzw. 11 sind einer nachgeschalteten Auswerteeinheit 15 zugeführt, durch die sowohl ein elektrisches Schaltsignal 18 über einen Schwellwertschalter 17 erzeugbar ist als auch, wie dies insbesondere in 4 gezeigt ist, Steuermaßnahmen zur Positionierung und Einstellung der der Lichtschranke 1 bildenden Bauteile erfolgen kann.
-
In 2 sind die von dem Gegenstand 2 in der Polarisation veränderten Lichtwellen 5' und 5'' einem schematisch dargestellten Lichtwellenteiler 12 zugeführt, der beispielsweise als Spiegel ausgebildet ist, so dass ein Teil der Lichtwellenanteile 5' und 5'' den Polarisator 8 und der andere Teil dieser Lichtwellen 5' und 5'' den zweiten Empfänger 11 ungefiltert erreichen. Durch den Polarisator 8 werden die Lichtwellenanteile 5'' hindurchgelassen, so dass diese bei dem ersten Empfänger 7 das entsprechende Messwertsignal X generieren. Die Lichtwellenanteile 5' und 5'' erreichen den zweiten Empfänger 11, so dass durch diesen das Messwertsignal Y erzeugt ist.
-
Für die Justierung und die Funktionalität der Lichtschranke 1 bedeutet dies, dass eine Messwertmatrix, bestehend aus den unterschiedlichen Messwerten X und Y, generiert ist, die durch die Auswerteeinheit 15 miteinander verglichen und/oder mathematisch in eine bestimmte Beziehung gesetzt werden können, um darüber Informationen zu erhalten, welcher Gegenstand 2 durch die beiden Polarisatoren 6 und 8 hindurchgeführt worden ist.
-
Ausgehend von der Justierung der Lichtschranke 1 erreicht nämlich der von dem Sender 4 emittierte Lichtwellenanteil 5' und 5'' den zweiten Empfänger 11, so dass durch die derart erhaltene Information zunächst feststellbar ist, ob die beiden Empfänger 7 und 11 exakt fluchtend positioniert sind, um die von dem Sender 4 emittierten Lichtwellen 5 überhaupt erfassen zu können.
-
Sobald die Justierung der Lichtschranke 1 abgeschlossen ist, kann ohne zeitliche Verzögerung die Detektierung der durch die Polarisatoren 6 und 8 durchgeführten Gegenstände 2 beginnen. Sollte der Gegenstand 2 aus Glas hergestellt sein, wird die Polarisation des Lichtes nicht oder nur wenig verändert, so dass durch den ersten Empfänger 7 vorgeschalteten Polarisator 8 keine oder wenig Lichtwellenanteile hindurch treten können, sondern diese vielmehr herausgefiltert sind. Gleichzeitig wird durch den zweiten Empfänger 11 ein Messwert X geliefert, so dass durch die Auswerteeinheit 15 erkennbar ist, dass ein Gegenstand 2 aus Glas die Lichtschranke 1 passiert hat. Je nach Helligkeit des Messwertsignals Y erfasst die Auswerteeinheit 15, ob es sich um Weiß- oder Buntglas-Gegenstände 2 handelt.
-
Sollte dagegen der Gegenstand
2 aus Kunststoff mit unterschiedlichen Farben sein, generiert die Lichtschranke
1 folgende Messwertmatrix:
| Messwert X | Messwert Y | Ergebnis der Auswertung |
| minimiert | erheblich reduziert | Nicht polarisierender transparenter Gegenstand 2, z. B. Glasflasche braun. |
| hoch | geringfügig reduziert | Polarisierender, klarer (weißer), transparenter Gegenstand 2, z. B. Wasserflasche aus klarem weißem Kunststoff im Strahlengang. |
| schwächer | schwach | Polarisierender, transparenter, farbiger Gegenstand, z. B. Fruchtsaftflasche aus braunem Kunststoff PET im Strahlengang |
-
Sollte dagegen weder ein Messwert X noch ein Messwert Y auftreten, ist entweder ein lichtundurchlässiger Gegenstand 2 im Strahlengang oder die Lichtschranke 1 ist dejustiert und somit zu überprüfen und neu auszurichten.
-
In 3 ist gezeigt, dass die den Gegenstand 2 passierenden Lichtwellen 5 mittels zweier Linsen 13 in Richtung auf die beiden Empfänger 7 und 11 zu gleichen Anteilen gebündelt sind. Auch dem zweiten Empfänger 11 kann dabei ein Polarisator 14 vorgeschaltet sein, um durch diesen Lichtwellen 5'' mit einer bestimmten vorgegebenen Polarität zu erfassen. Dies beeinflusst den Messwert Y.
-
In 4 ist darüber hinaus schematisch dargestellt, dass der Auswerteeinheit 15 eine Steuereinrichtung 16 zugeordnet ist, durch die die einzelnen Bauteile der Lichtschranke 1 positionierbar bzw. einstellbar sind. Daher kann der Polarisator 8 mittels der Steuereinrichtung 16 in seiner Position verdreht sein. Dem ersten Empfänger 7 ist zwischen dem Polarisator 8 und dem Empfänger 7 ein Flüssigkristall 19 vorgeschaltet, der ebenfalls durch die Steuereinrichtung 16 in seiner Funktionsweise einstellbar ist. Auch die Position des Empfängers 7 ist durch die Steuereinrichtung 16 erfassbar und einstellbar. Zudem kann die Leistung des Senders 4 durch die Steuereinrichtung 16 geregelt sein, um eine unverzügliche und optimale Anpassung der vom Sender 4 emittierten Lichtwellenstärke- oder helligkeit an möglicherweise bestimmte lichtdurchlässige Gegenstände 2 anzupassen.
-
Es ist ferner denkbar, die mit einem oder beiden Empfängern 7 und 11 gewonnenen Messwerte X und Y derart zu verwerten, dass ein Regelsignal gewonnen ist, mittels dem die Empfindlichkeit des Empfängers 7 einstellbar ist.
-
Durch die Auswerteeinheit 15 kann die mathematische Funktion Messwert X minus Messwert Y oder X geteilt durch Y gebildet sein, wodurch der Anteil des polarisierten Lichtes 5''' auswertbar ist. Es ist möglich, die Messwerte X und Y derart mathematisch in Beziehung zu setzen, dass mittels vorgegebener Rechenparameter eine nachprüfbare Funktion gebildet ist, deren jeweiliger Funktionswert von dem Werkstoff des eingeführten Gegenstandes 2 und dessen Lichtdurchlässigkeit abhängt.
-
In 5 ist eine Lichtschranke 1 gezeigt, in der zwei Polarisatoren 20 und 22 eingebaut sind, die nicht linear polarisieren wie bei den anderen Ausführungsbeispielen, sondern zirkular. Ein rechts herum zirkular polarisierender Polarisator lässt kein linkszirkular polarisiertes Licht durch, ähnlich wie ein horizontal ausgerichteter linearer Polarisator kein vertikal polarisiertes Licht durchlässt. Mit Hilfe solcher rechts- oder linkszirkularen Polarisatoren 20 bzw. 22 ist es möglich, den durch den Kunststoff-Gegenstand 2 auftretenden Lichteffekt auszuschließen. Völlig unabhängig von einer möglichen Streckrichtung des in die Lichtschranke 1 eingefahrenen Gegenstandes 2 erfolgt nämlich eine linkszirkulierende Polarisation 21 der durch den Polarisator 20 hindurchgetretenen Lichtwellen, die von dem Gegenstand lediglich in ihrer Polarisation in Abhängigkeit von dem Material des Werkstoffes, aus dem der Gegenstand 2 gefertigt ist, verändert werden. Der nachgeschaltete Polarisator 22 weist eine zu dem Polarisator 20 gegensätzliche Polarisationsrichtung auf, so dass durch den ersten Empfänger 7 die von dem Polarisator 22 hindurchgelassenen Lichtwellen 21'' gemessen sind und daraus ein Signal X generiert ist. Dadurch, dass durch den Lichtteiler 12 die entsprechenden Lichtwellenanteile auf den zweiten Empfänger 11 geleitet sind, entsteht durch diesen ein Signal Y.
