DE102017220600A1

DE102017220600A1 - Anlage mit einem förderband und einem röntgensystem

Info

Publication number: DE102017220600A1
Application number: DE102017220600.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gerth; Markus Firsching; Alexander Ennen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Eine Anlage umfasst ein Förderband und ein Röntgensystem zur Materialerkennung von mindestens einem Objekt. Das Röntgensystem umfasst hierzu eine Röntgenquelle, ein Röntgenspektrometer als Strahlendetektor und eine Berechnungseinheit. Die Röntgenquelle und der Strahlendetektor schließen zusammen mit einer Abtastposition für das Objekt einen vordefinierten Winkel ein, so dass ein von der Röntgenquelle emittiertes Röntgenspektrum nach Streuung durch das Objekt an der Abtastposition von dem Röntgenspektrometer erfasst wird, wobei das Röntgenspektrometer ausgebildet ist, das gestreute Röntgenspektrum energiedispersiv aufzulösen, um einen Strukturfaktor zu erhalten. Die Berechnungseinheit ist ausgebildet, um dem erhaltenen Strukturfaktor eine Materialeigenschaft für das Objekt zuzuordnen. Das Röntgensystem ist mit dem Förderband gekoppelt, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Materialvorschubrichtung des Förderbands das Objekt gegenüber dem Röntgensystem zu positionieren, um das Objekt in die zumindest eine Abtastposition zu bewegen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Anlage mit einem Förderband und einem Röntgensystem zur Materialerkennung sowie auf ein entsprechendes Verfahren zur Materialerkennung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Materialsortierung mittels energiedispersiver Röntgenstreuung.
In Sortieranwendungen (Recycling, Rohstoffe, ....) ist die Verwendung von Röntgenanlagen bereits etabliert. Diese Anlagen verwenden ausschließlich Informationen aus Transmissionsbildern, das heißt, konventionelle Durchstrahlungsbilder. Aus diesem Grund werden nur dichtebasierte Kriterien zur Sortierung (Sortierentscheidung) bzw. Detektion von Fremdstoffen verwendet. Dabei verlässt sich das Transmissionssystem nur auf die Absorption innerhalb des Objektes und erhält keine strukturelle (d.h. auf molekularer Ebene) Information des Objektes.
Viele Kunststoffe und Metalle unterscheiden sich weder optisch noch in der Dichte: Strukturell existieren jedoch große Unterschiede. Für viele Fragestellungen der Sortierung sind jedoch die strukturellen Informationen wichtiger als eine Abschätzung der reellen Dichte/Ordnungszahl durch Absorptionsmessung. Aus diesen Gründen konnte dieses Problem bisher noch nicht in Sortieranwendungen adressiert werden. Diese strukturellen Unterschiede werden bisher in winkeldispersiver Pulverbeugung (WDX) in Laboren untersucht. Bei derartigen Systemen wird eine Reflexionsgeometrie verwendet - das heißt, Quelle und Sensor sind oberhalb der Probe angeordnet. Dabei ist es möglich, die Zusammensetzung verschiedener kristalliner Phasen quantitativ auszuwerten. Die Umgebung einer Sortieranlage limitiert eine Anwendung winkeldispersiver Messmethoden aufgrund der hohen Anforderungen an die mechanische Präzision und Empfindlichkeit gegenüber z. B. Vibrationen.
Grundsätzlich sein an dieser Stelle angemerkt, dass bei Röntgensystemen zwischen bildgebenden Systemen (üblicherweise in Transmission betrieben) und EDX-/WDX-Systemen, die auf Streuung und Beugung basieren, unterschieden wird. EDX- und WDX-System können sowohl in Transmission als auch in Reflexion betrieben werden.
Stand der Technik bilden auch folgende Patentschriften bzw. Patentanmeldungen: EP1603460A2 : Scanningsystem auf Röntgendiffraktionsbasis, US 7065175 B2 : X-ray diffraction-based scanning system (2003, Varian), „Flughafen-Scanner“ für z. B. Sprengstoff, in Transmission, US 5007072 : X-ray diffraction inspection system (Ion Track Instruments, 1988), WO 2008142446 A2 : Energy dispersive x-ray absorption spectroscopy in scanning transmission mode involving the calculation of the intensity ratios between successive frequency bands. (Durham Scient Crystals, 2007) multi-energy transmission, US 7092485 B2 : X-ray inspection system for detecting explosives and other contraband (Control Screening, 2003), EDX/WDX für Gepäckkontrolle (Sprengstoff, Schmuggel ....), US 5491738 A : X-ray diffraction apparatus (NASA, 1993), Kombination von XRF/XRD. Weiter sei darauf hingewiesen, dass auch optische Systeme bei der Materialsortierung zum Einsatz kommen.
Röntgenanlagen kommen am Flughafen zur Gepäck-Überprüfung / -Sortierung zum Einsatz. Hier werden z.B. sogenannte „energiedispersive Röntgenanlagen“ (EDX) verwendet, die in einer Transmissionsgeometrie betrieben werden. Solche EDX-Systeme sind für die Materialsortierung, wie Bandsortieranlagen z. B. im Bereich der Rohstoffgewinnung von Erzen und Mineralien oder des Recyclings nicht geeignet, da viele Materialen (wie z.B. Erze) aufgrund ihrer hohen Absorption nur schwer zu durchstrahlen sind. Auch der Einsatz von WDX-Anlagen gestaltet sich schwierig, da die benötigte hohe Winkelgenauigkeit durch Verschmutzung, Beanspruchung und Umgebungseinflüsse nicht realisiert werden kann. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zur Materialsortierung zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus guter Detektierbarkeit unterschiedlicher Materialien oder Materialstrukturen, wie z. B. unterschiedlicher Kunststoffe oder Gummisorten, und hohem Durchsatz darstellt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Anlage mit einem Förderband und einem Röntgensystem zur Materialerkennung von mindestens einem Objekt. Das Röntgensystem umfasst eine Röntgenquelle, ein Röntgenspektrometer als Strahlendetektor sowie eine Berechnungseinheit. Röntgenquelle und Strahlendetektor schließen zusammen mit einer Abtastposition für das Objekt einen vordefinierten Winkel ein, so dass ein von der Röntgenquelle emittiertes Röntgenspektrum nach Streuung durch das Objekt an der Abtastposition von dem Röntgenspektrometer erfasst wird, wobei das Röntgenspektrometer ausgebildet ist, das gestreute Röntgenspektrum energiedispersiv aufzulösen, um einen Strukturfaktor zu erhalten. Die Berechnungseinheit ist ausgebildet, um dem erhaltenen Strukturfaktor ein Material (Unterscheidung zwischen Magnetit und Hämatit) oder eine Materialeigenschaft, wie eine bestimmte Kristallstruktur bzw. Phase des Materials dem Objekt zuzuordnen. Das Röntgensystem ist mit dem Förderband gekoppelt, wobei das Förderband ausgebildet ist, um in Abhängigkeit einer Materialvorschubrichtung des Förderbands das Objekt gegenüber dem Röntgensystem zu positionieren, um das Objekt in die zumindest eine Abtastposition zu bewegen.
Kern der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass es ausgehend von einer energiedispersiven Abtastung eines Röntgenspektrums resultierend aus einer Röntgenstreuung möglich ist, eine Sortierung bzw. Erkennung von Materialien auf basisstruktureller Merkmale (d. h. auf atomarer Ebene) durchzuführen, die optisch oder mittels Röntgendurchstrahlung und Mehrenergieverfahren kaum oder gar nicht unterscheidbar sind. Hierbei kommt energiedispersive Röntgenstreuung (EDX) in Reflexionsgeometrie zum Einsatz, um Strukturinformationen zu erfassen. Durch einen späteren Abgleich der Strukturinformationen mit einer Datenbank (entweder vorhanden oder für eine spezielle Fragestellung erstellt) kann eine Sortierentscheidung getroffen werden oder auch andere wichtige Parameter des zu untersuchenden Materials (z. B. der Feuchtigkeitsgehalt von Erzen) bestimmt werden.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird ein Röntgenspektrometer eingesetzt, das als Ausgangssignal eine Information über das gestreute Röntgenspektrum aufgetragen über die Energie hat. Dieses Signal wird an die Berechnungseinheit ausgegeben. Die Berechnungseinheit kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mit einer Datenbank verbunden sein, die für eine Mehrzahl an Strukturfaktoren entsprechende Materialeigenschaften hinterlegt hat.
Die Anlage kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine Materialsortiereinheit umfassen, die ausgebildet ist, um das Objekt in Abhängigkeit der zugeordneten Materialeigenschaft zu notieren, z. B. unter Zuhilfenahme von Sortiermitteln, wie z. B. einem motorisch betätigten Greifer oder pneumatisch betätigter Düse.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist die Röntgenquelle und/oder der Röntgendetektor mit einem Kollimator versehen. Dies hat den Vorteil, dass kollimierte Nadelstrahlen emittiert werden können, die dann direkt auf das Objekt bzw. auf eine Abtastposition für das Objekt gerichtet sind. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen werden so mindestens zwei Nadelstrahlen für zumindest zwei Objekte oder zumindest zwei Abtastpositionen emittiert. Hierbei kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen für jedes abzutastende Objekt bzw. jede abzutastende Position ein eigenes Röntgenspektrometer vorgesehen sein. Dieses ist also so angeordnet, dass ein zweites Objekt oder eine zweite Abtastposition des Objekts energiedispersiv aufgelöst wird. Hierbei schließen beispielsweise die Röntgenquelle bzw. der Kollimator, das Objekt bzw. die Abtastposition und der zweite Röntgendetektor einen vergleichbaren Winkel wie der erste Winkel ein. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass entweder gleichzeitig zwei Objekte abgetastet werden können oder ein Objekt an zwei Oberflächenpunkten abgetastet wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können auch zwei Oberflächenpunkte des Objekts dadurch abgetastet werden, dass das Abtasten mittels dem Basisröntgensystem (eine Röntgenquelle mit einem Strahlendetektor) bzw. mittels einer dieser Messeinheiten eines komplexeren Röntgensystems für zumindest zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte wiederholt wird, wobei das Objekt zwischen diesen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durch das Förderband in Materialvorschubrichtung fortbewegt wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann bei diesem Ansatz oder auch bei dem Ansatz mit den zwei Strahlendetektoren eine zeitliche Mittelung erfolgen. Deshalb ist entsprechend Ausführungsbeispielen die Berechnungseinheit ausgebildet, um die erhaltenen Strukturfaktoren über die mehreren Oberflächenpunkte zeitlich und/oder örtlich zu mitteln.
Es kann vorkommen, dass unterschiedliche Objekte unterschiedliche Höhen haben. Deshalb umfasst das Röntgensystem entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen Mittel zur Höhenerkennung des Objekts, z.B. eine Lichtschrankeneinheit, die dazu ausgebildet sind, einen vertikalen Abstand zwischen der Abtastposition für das Objekt zu der Röntgenquelle und/oder zu dem Röntgenspektrometer zu ermitteln. Ausgehend von dem erkannten Abstand kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auf die Datenbank zugegriffen werden, die für unterschiedlich ermittelte vertikale Abstände unterschiedliche Funktionen beinhaltet, so dass in Abhängigkeit von den vertikalen Abständen die Strukturfaktoren den Materialeigenschaften zugeordnet werden kann. Alternativ ist auch noch eine aktive Höhennachführung denkbar, die ermöglicht, den Abstand zur Objektoberfläche im Wesentlichen konstant zu halten.
Wie oben bereits erläutert, ist der Anwendungsbereich des hier beschriebenen Systems eine Materialsortierung im Sinne einer Recyclinganlage Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Anmeldungsfall aber auch die Qualitätskontrolle sein. Deshalb ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Berechnungseinheit ausgebildet, um Steuersignale für eine Prozesssteuerung auszugeben oder Daten an eine Qualitätskontroll-Monitoring-Einrichtung auszugeben.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Materialerkennung mit der oben erläuterten Anlage. Das Verfahren umfasst den Schritt des Positionierens des Objekts gegenüber dem Röntgensystem in Abhängigkeit von einer Materialvorschubrichtung des Förderbands, um das Objekt in die zumindest eine Abtastposition zu bewegen, das energiedispersive Auflösen des gestreuten Röntgenspektrums, um einen Strukturfaktor zu erhalten sowie das Zuordnen des erhaltenen Strukturfaktors einer Materialeigenschaft. Die oben im Zusammenhang mit der Anlage erläuterten Aspekte sind natürlich auch auf dieses Verfahren übertragbar. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren durch ein Computerprogramm ausgeführt sein.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung einer Anlage umfassend ein Röntgensystem und ein Förderband gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b eine weitere schematische Darstellung der Anlage aus 1a mit Fokus auf das Röntgensystem zur Illustration der gewählten Röntgengeometrien gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und
2 eine weitere schematische Darstellung einer Anlage mit einem Förderband und einem erweiterten System gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1a zeigt eine Anlage 100 mit einem Förderband 10 und einem Röntgensystem 20. Das Förderband 10 hat einen geradlinigen Verlauf in Richtung des Pfeils x. Oberhalb des Förderbands 10 sind die Bestandteile des Röntgensystems 20 angeordnet (hier in x-Richtung gesehen jeweils seitlich oberhalb des Förderbands 10), wie insbesondere aus 1b hervorgeht.
1b zeigt das Röntgensystem 20 gesehen in der x-Richtung zusammen mit dem Förderband 24. Das Röntgensystem 20 umfasst eine Strahlenquelle 22 sowie einen Röntgendetektor 24. Die Strahlenquelle 22 emittiert die Röntgenstrahlung entlang des Vektors k_i in Form eines Strahlenkegels 22k_i wie 1a zeigt. Der Kegel 22k_i ist auf das Förderband 10 entlang seiner Breite 10b gerichtet. Die Fläche bzw. das Segment des Förderbands 10i, auf die der Kegel 22k_i gerichtet ist, ist der Bereich, in welchem Objekte abgetastet werden. Dieser Bereich 10a wird als Abtastbereich bezeichnet und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Breite 10b.
Ein Objekt 15 befindet sich in diesem Abtastbereich 10a. Der Abtastbereich 10a oder insbesondere das Objekt 15 streut die eintreffende Röntgenstrahlung k_i unter dem gleichen Ausfallswinkel zu dem Strahlendetektor 24 hin, wie anhand der eingezeichneten Winkel Θ_i und Θ_f in 1b dargestellt ist. Hierbei sei angemerkt, dass die ausfallende, gestreute Strahlung durch den Vektor k_f in 1b dargestellt ist, während in 1a von einem gestreuten Röntgenstrahlkegel 22k_i ausgegangen wird, der mit dem Bezugszeichen 24k_f versehen ist. Um diese Reflexionsgeometrie zu realisieren, ist sowohl die Röntgenquelle 22 als auch der Röntgendetektor 24 in einem gewissen Winkel gegenüber dem Förderband 10 montiert. Die Strahlenquelle 22, Objekt 15 und Röntgendetektor 24 schließen hier einen (festen) Winkel (zwischen k_i und k_f ) von beispielsweise 160° (allgemein: im Bereich 150° bis 170° oder im Bereich von 100° bis kleiner 180°) ein, wobei dieser Winkel entsprechend Ausführungsbeispielen durch eine Senkrechte auf das Förderband 10 halbiert wird (vgl. Vektor q) in 1b. Bei einem derartigen Winkel wird eine Reflexionsgeometrie ausgebildet, die den technischen Effekt hat, dass die von der Röntgenquelle 22 emittierte Röntgenstrahlung am Objekt 15 gestreut wird, wobei die Streuungscharakteristik einen Rückschluss auf einen sogenannten „Strukturfaktor“ zulässt.
Hierzu wird die gestreute Röntgenstrahlung durch den Strahlendetektor 24 energiedispersiv aufgelöst, d.h. als Funktion über die Röntgenenergie. Bevorzugt kommt als Detektor 24 ein Spektrometer zum Einsatz. Das Spektrometer ermöglicht die Bestimmung der Intensität je Röntgenenergie. Die gemessene Intensität je Röntgenenergie ist charakteristisch für ein bestimmtes Reflexionsspektrum im Raum. Ausgehend von dem Reflexionsspektrum oder der(den) gemessene(n) Intensität(en) in Abhängigkeit von der (den) Röntgenenergie(n) kann ein Rückschluss auf das Material und/oder eine Materialeigenschaft des Objekts 15 gezogen werden. Dieser Rückschluss auf die entsprechende Information wird unter dem Begriff „Strukturfaktor“ zusammengefasst. Somit ist durch die energiedispersive Abtastung einer Ermittlung des Strukturfaktors möglich.
Ausgehend von dieser energiedispersiven Abtastung des Strukturfaktors kann mittels eine Berechnungseinheit dem erhaltenen Strukturfaktor eine Materialeigenschaft für das Objekt 15, z. B. das Material an sich sowie eine Phase desselben zugeordnet werden.
Zum Hintergrund: In Laboranalysen von beispielsweise Pulvern, kommt die winkeldispersive Röntgenstreuung (WDX, Diffraktometrie) zum Einsatz, die Informationen über den kristallinen Aufbau des Pulvers liefert. Diese Eigenschaft wird sich hier zunutze gemacht, da so verschiedene Phasen des gleichen Materials detektiert werden können. Beispielsweise kann Eisenerz in verschiedenen Strukturformen vorkommen, wobei sich weder Dichte noch Absorption unterscheiden. Diese Strukturformen sind aber in der Reflexion mit oben beschriebener Anlage gut detektierbar. Auch Wasser zeigt charakteristische diffraktometrische Eigenschaften, beispielsweise durch den sogenannten „Strukturfaktor“. Ein weiteres Beispiel ist die Differenzierung von schwarzem Kunststoff und Gummi. Diese sind weder mit optischen (also auf sichtbarem Licht basierenden) Methoden noch mit Infrarotabtastung oder mit Röntgendurchstrahlung zuverlässig und schnell genug unterscheidbar. Die winkeldispersive Röntgenstreuung in der Reflexionsgeometrie ermöglicht aber die Erfassung einer Strukturinformation, die für beide Materialien unterschiedlich ist, so dass bei einem Abgleich mit einer Datenbank dann ein Rückschluss auf die entsprechende Materialeigenschaft gezogen werden kann.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann, wie oben beschrieben, die energiedispersive Abtastung durch Abtasten einer Stelle des resultierenden Reflexionsspektrums erfolgen, so dass der Strukturfaktor als Funktion der Energie erhalten wird. Alternativ wäre es auch denkbar, dass der Strukturfaktor winkeldispersiv abgetastet wird.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist es insbesondere bei der Ermittlung des Strukturfaktors als Funktion der Energie möglich, quellen- und/oder detektorseitig einen zusätzlichen Kollimator vorzusehen, der ausgebildet ist, den Winkelbetrag durch Divergenz (weitestgehend) zu eliminieren bzw. zu reduzieren.
Es sei angemerkt, dass die Winkel Θ_i und Θ_f gegenüber dem Förderband 10 fest sind. Dies wird erreicht, indem die Ausrichtung und die Höhe der Elemente 22 und 24 in Bezug auf das Förderband 10 gleichbleiben. Hierdurch wird unter der Annahme, dass alle Objekte eine gleiche Höhe haben erreicht, dass der oben angesprochene Winkel zwischen den Vektoren k_i und k_f fest ist. Sollte sich die Höhe ändern, ist zumindest der Winkel mit dem Förderband 10 fix, so dass z.B. eine rechnerische Kompensation erfolgen kann. Alternativ kann auch, wie im Folgenden noch beschrieben werden wird, eine aktive Nachregelung in der Art erfolgen, dass die Höhe oder relative Höhe der Elemente 22 und 24 gegenüber der Objektoberfläche konstant gehalten wird, um einen festen Winkel zwischen den Vektoren k_i und k_f aufrechtzuhalten. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Vorsehen von identischen Winkeln Θ_i und Θ_f für die Strahlenquelle 22 und den Strahlendetektor 24 gegenüber dem Förderband vorteilhaft ist, aber nicht zwingend notwendig. Effekte, die sich aus nicht optimalen Strahleneinfallsbedingungen und Strahlenausfallsbedingungen ergeben, können beispielsweise durch Kalibrierung wieder eliminiert werden.
Bezugnehmend auf 2 wird ein erweitertes Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem aufseiten der Röntgenquelle 22 ein Multikollimator vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Röntgenquelle 22 oberhalb des Förderbands 10 (in etwa mittig) angeordnet und in bzw. insbesondere entgegen der Vorschubrichtung x ausgerichtet). Die Röntgenquelle 22 emittiert wiederum Strahlung in Richtung des Förderbands 10, wobei zwischen Förderband 10 und Strahlenquelle 22 im Röntgenstrahl 22k der Multikollimator 26 angeordnet ist. Dieser Multikollimator 26 filtert winkelselektiv den Strahlungskegel 22k, so dass zumindest zwei, hier vier kollimierte Nadelstrahlen vom Kollimator 26 emittiert werden. Diese kollimierten Nadelstrahlen sind mit den Bezugszeichen 22kn1 bis 22kn4 versehen. Die Strahlen 22kn1 bis 22kn2 treffen entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen auf die Abtastposition 10a1 bis 10a4 in demselben Winkel Θ auf. Hierzu befinden sich die Abtastpositionen 10a1 bis 10a4 beispielsweise auf einer Geraden, die senkrecht zu der Materialvorschubrichtung x angeordnet ist. Die Positionen 10a1 bis 10a4 sind über die Breite 10b des Vorderbands 10 verteilt, so dass der Materialfluss 10 mit seinen mehreren Objekten an den Abtastpositionen 10a1 bis 10a4 abgetastet werden kann.
Um die vier an den Positionen 10a1 bis 10a4 gestreuten Strahlen, die mit den Bezugszeichen 24kn1 bis 24kn4 versehen sind, detektieren zu können, sind in diesem Ausführungsbeispiel vier einzelne Röntgendetektoren 24d1 bis 24d4 vorgesehen. Diese befinden sich beispielsweise auch auf einer Geraden, so dass die Detektionsposition den gestreuten Röntgenstrahl 24kn1 bis 24kn4 empfangen kann. Diese Bedingung ist beispielsweise immer dann erfüllt, wenn der Einfallsvektor (22kn1 bis 22kn4) und der zugehörige Ausfallsvektor (24kn1 bis 24kn4) in einer Ebene liegt, in der auch der zugehörige Detektor 24d1 bis 24d4 angeordnet ist. Das heißt also, dass der Detektor 24d1 in derselben Ebene liegt, die durch die zwei Vektoren 22kn1 und 22kn2 aufgespannt wird, während der Detektor 24d2 in der Ebene liegt, die durch die Vektoren 22kn2 und 24kn2 aufgespannt wird, usw. In den jeweiligen Ebenen können die Einfalls- und Ausfallswinkel Θ bezogen auf die Objektebene bzw. Materialvorschubrichtung x, wie auch in dem Ausführungsbeispiel aus 1a und 1b gleich sein.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass es die Quelle 22k durch die mehrfache auf Nadelstrahlen kollimierte Form ermöglicht, mehrere Detektoren zu verwenden, um den Materialstrom 10x an verschiedenen Positionen 10a1 bis 10a4 untersuchen zu können. Wie bereits oben erläutert, wird bevorzugt der Winkel zwischen Quelle und Detektor dabei konstant gehalten, damit energiedispersiv abgetastete Strukturfaktoren vergleichbar sind. Die Zuordnung zu Materialeigenschaften und damit auch die letztendliche Sortierung geschieht nach Abgleich der Strukturfaktoren mit der Datenbank. Je nach Durchsatzgeschwindigkeit und Genauigkeit des Spektrometers kann auch auf bestehende Datenbanken zurückgegriffen werden oder es wird eine explizite Datenbank speziell dafür erstellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel befinden sich die Abtastpositionen 10a1 bis 10a4 auf einer Kreisbahn, die gegenüber dem Förderband 10 beispielsweise so angeordnet ist, dass eine Tangente der Kreisbahn, die senkrecht zu dem Vektor x steht, den Vektor x innerhalb der Breite 10b schneidet. Bei dieser Variante bzw. allgemein entsprechenden Ausführungsbeispielen sind dann bevorzugt die Röntgendetektoren 24d1 bis 24d4 auch auf einer Kreisbahn angeordnet. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die oben erläuterte Bedingung bezüglich der Anordnung gegenüber der durch die Vektoren 22kn1 bis 22kn4 sowie 24kn1 bis 24kn4 erfüllt ist. Allgemein sei hierzu angemerkt, dass diese Bedingungen auch auf Ausführungsbeispiele übertragbar sind, bei welchen Röntgenquelle 22 und Röntgendetektor 24d1 bis 24d4 senkrecht zu dem Materialvorschub 10x angeordnet sind.
Eine Variation zu oben genanntem Ausführungsbeispiel besteht beispielsweise darin, dass statt der einen Strahlenquelle 22 mit einem Kollimator 22k (zur Ausbildung der Nadelstrahlen) mehrere Strahlungsquellen bzw. mehrere Strahlungsquellen mit Kollimatoren vorgesehen sind.
Das Ausführungsbeispiel aus 1 bzw. das Ausführungsbeispiel aus 2 kann beispielsweise durch Mittel zur Materialsortierung erweitert werden, so dass im Resultat eine energiedispersive Sortieranlage geschaffen wird. Dieser ist es möglich, Materialien zu unterscheiden, welche weder optisch noch durch Röntgenabsorption getrennt werden können. Weitere Vorteile neben der Auswertung der Strukturfaktoren ergeben sich durch die Kombination mit einer Vorverarbeitung des Materialstroms 10x und/oder gegebenenfalls durch Nachführung der Messhöhe.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Vorverarbeitung beispielsweise so aussehen, dass erst einmal alle Objekte 15a1 bis 15ax auf eine konstante Höhe gebracht werden. Dies kann auf Aufbereitung (Kleinhäckseln oder Ähnliches) basieren, so dass im Resultat alle Objekte 15a1 bis 15ax in etwa eine konstante Höhe einer Messposition haben.
Da dies nicht bei allen Sortieranwendungen möglich ist, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine vorgeschaltete Abstandsmessung in der Höhe vorgesehen sein, die dann die Objekte 15a1 bis 15ax durch die Abstände bzw. die Höhen ermittelt. Ausgehend von den nun bekannten Höhen kann entweder eine Verschiebung des Röntgensystems (22d1 bis 24d4) oder eine Berücksichtigung in der Datenhaltung erfolgen. Beispielsweise können unterschiedliche Daten für unterschiedliche Höhen vorgesehen sein bzw. die Datenreihen um ein Offset verschoben werden (Verschiebung des Strukturfaktors als Funktion der Energie), um den Höhenfehler zu reduzieren.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann sich die laterale Ausdehnung der Objekte 15a1 bis 15ax, insbesondere in x-Richtung zunutze gemacht werden, indem je Objekt 15a1 bis 15ax mehrere Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen bzw. bei der Messung eine entsprechende Belichtungszeit berücksichtigt wird. Hierdurch erfolgt eine zeitliche Mittelung der Kristallite bei entsprechendem Materialvorschub x. Dies ist insbesondere für Pulverdiffraktometrie vorteilhaft.
Technische Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Sortieranwendungen. Hierbei liegen sowohl Sortieranwendungen im Bereich „Recycling“ als auch bei der Rohstoffgewinnung im Fokus, da diese von den zusätzlichen Informationen (Strukturinformationen) profitieren.
Diese Anwendungsfelder verwenden bisher entweder optische (UV, VIS, NIR, IR, FIR, hyperspektral, multispektral) Verfahren, Röntgentransmissionsverfahren, oder in modernen Systemen sogar Dual-Energy-Verfahren. Anwendungsbeispiele, die von Sortierentscheidungen über strukturelle Eigenschaften profitieren, sind Kunststoffe, Mineralien (Erze) oder Bauschutt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das oben erläuterte Röntgensystem, welches unter Verwendung von polychromatischer Röntgenstrahlung und eines energieauflösenden Detektors in der Reflexionsgeometrie eingesetzt wird, um strukturelle Sortierergebnisse auf molekularer / atomarer Ebene zu erhalten auch mit einem weiteren Röntgensystem zur Durchstrahlung kombiniert werden, das beispielsweise ausgehend von einer Dichtenmessung dann zusätzliche Informationen liefert, um eine eindeutige Materialidentifizierung (über die Identifizierung der Materialstruktur hinaus) zu ermöglichen.
Auch wenn obige Ausführungsbeispiele insbesondere im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erläutert wurden bzw. weitere Ausführungsbeispiele auf ein entsprechendes Verfahren. Dieses umfasst die Schritte: Positionierung des Objekts gegenüber dem Röntgensystem in Abhängigkeit von einer Materialvorschubrichtung des Förderbands, um das Objekt in die zumindest eine Abtastposition zu bewegen, Durchführen der Messung bzw. Emittieren der Röntgenstrahlung in energiedispersives Auflösen des an dem Objekt gesteuerten Röntgenspektrums, um einen Strukturfaktor zu erhalten und Zuordnen des erhaltenen Strukturfaktors einer Materialeigenschaft, wie z. B. einem Materialzustand (pulverförmig, gesintert oder vergossen). Dieses Verfahren kann simultan für mehrere Objekte parallel durchgeführt werden. Hierbei können, wie oben bereits erläutert, mehrere Röntgendetektoren oder auch mehrere Röntgendetektoren und Röntgenquellen genutzt werden. Einzelne Verfahrensschritte, insbesondere das Zuordnen des erhaltenen Strukturfaktors einer Materialeigenschaft werden unter Zuhilfenahme einer Datenbank durchgeführt. Insofern können diese Schritte auch in einem Computerprogrammcode implementiert sein. Deshalb bezieht sich ein weiteres Ausführungsbeispiel auf ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1603460 A2 [0005]
US 7065175 B2 [0005]
US 5007072 [0005]
WO 2008142446 A2 [0005]
US 7092485 B2 [0005]
US 5491738 A [0005]

Claims

Anlage (100) mit einem Förderband (10) und einem Röntgensystem (20) zur Materialerkennung von mindestens einem Objekt (15, 15a1-15ax), wobei das Röntgensystem (20) folgende Merkmale umfasst: eine Röntgenquelle (22); ein Röntgenspektrometer als Strahlendetektor (24, 24d1-24d4); und eine Berechnungseinheit, wobei die Röntgenquelle (22) und der Strahlendetektor (24, 24d1-24d4) zusammen mit einer Abtastposition (10a, 10a1-10a4) für das Objekt (15, 15a1-15ax) einen vordefinierten Winkel einschließen, so dass ein von der Röntgenquelle (22) emittiertes Röntgenspektrum nach Streuung durch das Objekt (15, 15a1-15ax) an der Abtastposition (10a, 10a1-10a4) von dem Röntgenspektrometer erfasst wird, wobei das Röntgenspektrometer ausgebildet ist, das gestreute Röntgenspektrum energiedispersiv aufzulösen, um einen Strukturfaktor zu erhalten, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, um dem erhaltenen Strukturfaktor ein Material oder eine Materialeigenschaft für das Objekt (15, 15a1-15ax) zuzuordnen, wobei das Röntgensystem (20) mit dem Förderband (10) gekoppelt ist, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Materialvorschubrichtung (x) des Förderbands (10) das Objekt (15, 15a1-15ax) gegenüber dem Röntgensystem (20) zu positionieren, um das Objekt (15, 15a1-15ax) in die zumindest eine Abtastposition (10a, 10a1-10a4) zu bewegen.
Anlage (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Röntgenspektrometer ausgebildet ist, um das gestreute Röntgenspektrum als Funktion der Energie aufzulösen.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Röntgenquelle (22) einen Kollimator (26) umfasst; und/oder wobei der Röntgendetektor einen Kollimator (26) umfasst.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kollimator (26) mit der Röntgenquelle (22) gekoppelt ist, so dass zumindest zwei Nadelstrahlen für zumindest zwei Objekte (15, 15a1-15ax) oder zumindest zwei Abtastpositionen (10a, 10a1-10a4) emittiert werden.
Anlage (100) gemäß Anspruch 4, wobei das Röntgensystem (20) zumindest ein zweites Röntgenspektrometer als zweiten Strahlendetektor (24, 24d1-24d4) umfasst, der derart angeordnet ist, dass zumindest ein zweites Objekt (15, 15a1-15ax) oder eine zweite Abtastposition (10a, 10a1-10a4) des Objekts (15, 15a1-15ax) energiedispersiv auflösbar ist.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgensystem (20) ausgebildet ist, mehrere Oberflächenpunkte des Objekts (15, 15a1-15ax) an der Abtastposition (10a, 10a1-10a4) zu untersuchen, indem die energiedispersive Auflösung des gestreuten Röntgenspektrums für zumindest zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte durchgeführt wird, wobei das Objekt (15, 15a1-15ax) zwischen den zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten in Materialvorschubrichtung (x) bewegt wird.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, um eine zeitliche Mittelung der erhaltenen Strukturfaktoren für die mehreren Oberflächenpunkte durchzuführen.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungseinheit mit einer Datenbank verbunden ist, die für eine Mehrzahl an Strukturfaktoren entsprechende Materialeigenschaften hinterlegt hat.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgensystem (20) Mittel zur Höhenerkennung der Objekte (15, 15a1-15ax) hat, die dazu ausgebildet sind, einen vertikalen Abstand zwischen der Abtastposition (10a, 10a1-10a4) für das Objekt (15, 15a1-15ax) zu der Röntgenquelle (22) und/oder zu dem Röntgenspektrometer zu ermitteln.
Anlage (100) gemäß Anspruch 9 mit Rückbezug auf Anspruch 8, wobei die Datenbank für unterschiedlich ermittelte vertikale Abstände unterschiedliche Funktionen für die Abhängigkeit der Strukturfaktoren und der Materialeigenschaften für das Objekt (15, 15a1-15ax) aufweist.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, Steuersignale für eine Prozesssteuerung auszugeben und/oder Daten an eine Qualitätskontrolle-Monitoring-Einrichtung auszugeben.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlage (100) eine Recyclinganlage oder Materialsortieranlage ist.
Anlage (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Materialsortiereinheit umfasst, die ausgebildet ist, um das Objekt (15, 15a1-15ax) in Abhängigkeit der zugeordneten Materialeigenschaft zu sortieren.
Verfahren zur Materialerkennung von mindestens einem Objekt (15, 15a1-15ax) in einer Anlage (100) mit einem Förderband (10) unter Zuhilfenahme einer Röntgenquelle (22), einem Röntgenspektrometer als Strahlungsdetektor sowie einer Berechnungseinheit, wobei die Röntgenquelle (22) und der Strahlendetektor (24, 24d1-24d4) zusammen mit zumindest einer Abtastposition (10a, 10a1-10a4) für das Objekt (15, 15a1-15ax) einen vordefinierten Winkel einschließen, so dass ein von der Röntgenquelle (22) emittiertes Röntgenspektrum nach Streuung durch das Objekt (15, 15a1-15ax) an der Abtastposition (10a, 10a1-10a4) von dem Röntgenspektrometer erfasst wird, wobei das Röntgensystem (20) mit dem Förderband (10) gekoppelt ist, das ausgebildet ist, mit folgenden Schritten: Positionieren des Objekts (15, 15a1-15ax) gegenüber dem Röntgensystem (20) in Abhängigkeit von einer Materialvorschubrichtung (x) des Förderbands (10), um das Objekt (15, 15a1-15ax) in die zumindest eine Abtastposition (10a, 10a1-10a4) zu bewegen; energiedispersives Auflösen des gestreuten Röntgenspektrums, um einen Strukturfaktor zu erhalten; und Zuordnen des erhaltenen Strukturfaktors einem Material oder einer Materialeigenschaft.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das energiedispersive Auflösen ein Auflösen des gestreuten Röntgenspektrums als Funktion der Energie umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Verfahren für zumindest zwei Oberflächenpunkte des Objekts (15, 15a1-15ax) wiederholt wird, wobei zwischen jeder Iteration das Objekt (15, 15a1-15ax) in der Materialvorschubrichtung (x) bewegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Verfahren für zumindest zwei Objekte (15, 15a1-15ax) oder zwei Abtastpositionen (10a, 10a1-10a4) für ein Objekt (15, 15a1-15ax) simultan durchgeführt wird.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.