DE19816881A1

DE19816881A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Unterscheidung zwischen Kontaminationen und Gutstoffen sowie zwischen verschiedenen Farben in Feststoffpartikeln

Info

Publication number: DE19816881A1
Application number: DE1998116881
Authority: DE
Inventors: Dirk Fey; Juergen Bohleber; Manfred Dauseln; G Krieg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-18
Also published as: DE19816881B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und Unterscheidung der Grundmaterialien, der Farben und der Kontaminationen in granulatähnlichen oder tablettenförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe mit einem Laserstrahl zeilenförmig beleuchtet werden und daß die von den Stoffen reemittierte optische Strahlung spektroskopisch analysiert und die Stoffe in verschiedene Gruppen klassifiziert und separiert werden.

Description

In zahlreichen technischen on-line-Prozessen ist die Kontrolle der Produkt qualität bzw. der Farbe ein wesentliches Qualitätskriterium. So ist beispielswei se bei der Herstellung von Kunststoffbehältern, insbesondere von Kunststoff flaschen für die Getränkeindustrie, unter Verwendung von granuliertem Recycling-Material, die Trennung und Sortierung verschiedener Farbfrak tionen, verschiedener Kunststofftypen, z. B. Polyethylen, Polyamid, Polyvenyl chlorid, die Erkennung und Aussortierung von beispielsweise mit Benzin, Diesel, Benzol, Toluol, Xylol kantaminierten Bruchstücken, erforderlich, um einen Wiedereinsatz z. B. in der Lebensmittelindustrie, zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die wiederverwertbaren reinen Grundmaterialien von kontaminierten Granulaten unterschieden und separiert werden können Darüberhinaus müssen die verschieden gefärbten Bruchstücke in farbreine Fraktionen sortiert werden.

Diese vielschichtige und komplexe Aufgabe konnte von den Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik nur in Teilbereichen und nur unbefriedigend gelöst worden. So sind Vorrichtungen bekannt geworden, die unter Einsatz von CCD-Farbkameras eine Farberkennung mit anschließen der Farbsortierung durch Einsatz von gesteuerten Luftstrahldüsen ermöglichen. Diese Systeme weisen jedoch die Nachteile zu geringer Meßgeschwindig keiten und zu niedriger Signal-/Rausch-Verhältnisse auf und sind daher für den hier vorgesehenen prozeßtechnischen Einsatz nicht geeignet. Darüber hinaus wurden gemäß dem Stand der Technik Entwicklungen zur Identifika tion und Trennung verschiedener Kunststoffe vorangetrieben. Die dabei ein gesetzten Verfahren eignen sich jedoch nicht für die Lösung entsprechender Aufgabenstellungen an Granulaten oder granulatähnlichen Bruchstücken aus Recyclat, da bei der hier beabsichtigten Identifikation und Sortierung von mehr oder weniger zerkleinerten Flaschen, Behältern etc. etwa um den Faktor 1000 höhere Meßgeschwindigkeiten gefordert werden, um den aus Wirt schaftlichkeitsgründen vorgegebenen Mindestmassenstrom zu bewältigen. Erschwerend kommt hinzu, daß sowohl für die Farberkennung als auch für die Stoffunterscheidung jeweils eigene Systeme mit unterschiedlichen physikali schen Prinzipien, d. h. CCD-Kameras für die Farberkennung bzw. NIR-Ab sorption für die Kunststoffklassifizierung, benötigt werden, deren Gesamtkas ten über dem wirtschaftlich vertretbaren Kostenlimit pro Anlage liegen. Als größter Nachteil erweist sich jedoch die Tatsache, daß keine der oben ge nannten Methoden den Nachweis von Kontaminationen durch Fremdstoffe, die in dem Basismaterial eingelagert wurden, ermöglicht. Letzteres ist jedoch z. B. im Rahmen des Recyclings von lebensmitteltechnologisch genutzten Kunststoffen, die mehrfach als Lebensmittelbehälter genutzt werden sollen, eine unumgängliche Forderung.

Ziel und Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung sind daher, ein neuarti ges Verfahren bzw. Vorrichtungen vorzuschlagen, die neben einer Farbiden tifikation und einer Stoffklassifizierung eine Identifikation der Kontaminationen im Basismaterial ermöglichen, wobei aus Wirtschaftlichkeitsgründen nur ein einziges physikalisches Grundprinzip zur simultanen Lösung von insgesamt drei Problemkreisen zugelassen ist.

Die vorliegende Erfindung löst diese drei Problemstellungen in der Weise, daß das auf einem Transportband bewegte Recycling-Granulat von einem Laser beleuchtet und die vom Granulat reemittierte Strahlung in einem brei ten Spektralbereich spektroskopisch analysiert wird. Darüberhinaus sind erfin dungsgemäß Maßnahmen vorgesehen, die eine flächendeckende Erfassung und Auswertung der Spektren zur Ermittlung der Farben, der Basismaterialien und der Kontaminationen der Granulate in Echtzeit ermöglichen.

Die Erfindung wird in den nachstehend aufgeführten Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Dazu zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des Gesamtsystems zur on-line-Erkennung und Sortierung unterschiedlich gefärbter, kontaminierter und aus ver schiedenen Grundmaterialien bestehenden Granulaten bzw. Tab letten

Fig. 2 die optische Anordnung zur Beleuchtung des Meßgutes und zur Erfassung der vom Meßgut reemittierten Strahlung

Fig. 3 die Seitenansicht eines wesentlichen Teils der in Fig. 2 dargestell ten optischen Anordnung

Fig. 4 den Aufbau des zur Strahlenablenkung eingesetzten Toroidalspiegels

Fig. 5 eine ausgewählte Anordnung der Sensorik und Signalverarbeitung zur ultraschnellen Auswertung der optischen Signale

Fig. 6 ein Beispiel für Emissionsspektren zur Farberkennung und Farbselektion

Fig. 7 ein Beispiel für Emissionsspektren zur Stofferkennung

Fig. 8 ein Beispiel für Emissionspektren zur Erkennung von Kontaminationen.

Gemäß Fig. 1 wird der Strahl eines Lasers (1) von einem in Fig. 2 näher beschriebenen optischen System (2) zeilenförmig über das Meßgut (3) ge führt. Der Laserstrahl (4) überstreicht den gesamten Winkelbereich (5) zwecks Erfassung der Gesamtbreite des Transportbandes (6), welches über ein Silo (7) mit Granulatmaterial (3) bzw. über eine nicht näher gezeigte Beschickungs einrichtung mit Tabletten oder anderen Prüflingen versorgt wird. Die Beleuch tung der Prüflinge (3) erfolgt punktweise (9) durch Taktung des Laserlichtes. Alternativ kann durch Einsatz eines kontinuierlich strahlenden Lasers (1) auch eine zeilenförmige Abtastung realisiert werden. Das durch Streuung, Fluores zenz, Laser-Raman-Streuung, Reflexion und andere optische Reemissions- Effekte erzeugte Sekundärlicht (10) wird von dem optischen System (2) in einem weiten Winkelbereich erfaßt und einem Spektrometer (11) zugeführt, dessen Signale von einer in Fig. 5 beispielhaft dargestellten Auswertungsein heit (12) verarbeitet werden. Die dadurch bewirkte Klassifizierung der Prüflinge (3) in einzelne Farbklassen, getrennte Stoffklassen und in Kontaminanten führt durch ein Separationssystem gemäß dem Stand der Technik, z. B. über getak tete Düsen, zu einer Sortierung in verschiedene, getrennte Fraktionen (13), die in dieser Form einem anderen Herstellungsprozeß oder im Falle der Kontami nanten einem Entsargungssystem zugeführt werden können.

Fig. 2 zeigt den Laser (14), dessen Strahl (15) nach Kollimation durch eine Linse (16) und Umlenkung über einen Reflektor (17) auf ein Polygonrad (18) trifft. Die Stirnflächen (19) des mit hoher Winkelgeschwindigkeit rotierenden Polygonrades (18) sind als Spiegel ausgebildet und führen den Laserstrahl (20) azimuthal in Form einer zeitlichen Sägezahnbewegung über den dreidimen sional geformten Toroidalhohlspiegel (21), der eine zeilenförmige Laserstrahl abtastung (9) des Prüfgutes (3) auf dem Transportband (6) gemäß Fig. 1 bewirkt. Das entsprechend Fig. 1 divergent reemittierte Licht (10) wird ebenfalls vom Toroidalspiegel (21) erfaßt in ein konvergentes Strahlbündel (22) transformiert und am Laserauftreffpunkt (23) reflektiert, um in das im oberen Teil von Fig. 2 gezeigte Spektrameter (11) zu gelangen. Am Eingang des Spektrometers befindet sich ein optisches Filter (23), welches Falschlicht ausblendet, das aus der Strahlung des Lasers (14) stammt, welche beispiels weise an den Oberflächen von optischen Komponenten, wie z. B. der Linse (16), reflektiert wird und auf Umwegen in das Spektrometer gelangen würde. Das optische Filter (23) ist also so ausgelegt, daß es die Emissionswellenlänge des Lasers (14) unterdrückt. Letztere liegt vorzugsweise bei der Emissions wellenlänge des YAG-Lasers, d. h. bei 1064 nm. Alternativ werden auch die frequenzverdoppelten - bzw. die frequenzverdreifachten - Wellenlängen von 532 nm bzw. 354 nm eingesetzt.

Das auf den Spalt (24) des Spektrameters mittels der Linsen (25, 26) fokussierte Licht gelangt über einen ersten Hohlspiegel (27) auf das optische Gitter (28), welches die Lichtstrahlung in seine Wellenlängenanteile spektral zerlegt und über einen zweiten Hohlspiegel (29) auf das Sensorsystem (30) wellenlängen abhängig abbildet. Das Sensorsystem (30) besteht z. B. aus einer CCD-Zeile. Alternativ werden je nach zu untersuchendem Spektralbereich lineare Arrays aus Si-Photodioden oder Si-Photoelementen eingesetzt oder entsprechen de Anordnungen aus In Ga As verwendet. Eine speziell ausgebildete Sensor systemanordnung unter Einsatz von Photomultiplier-Arrays ist in Fig. 5 näher dargestellt.

Ein wesentlicher Teil der optischen Anordnung des neuen Verfahrens ist in Fig. 3 in der Seitenansicht dargestellt. Sie zeigt nochmals den Laserstrahl (31) und seinen Auftreffpunkt (32) auf den Reflektorflächen des Polygonrades (33), seine Reflexion (34) auf dem Toroidalspiegel (35) sowie seinen Auftreff punkt (36) auf dem Transportband (37). Darüberhinaus ist der Strahlengang (38) der vom Granulat bzw. von der jeweiligen Tablette reemittierten Strah lung (38), welcher koaxial und entgegengesetzt zum Laserstrahl (31) verläuft, wiedergegeben. Diese spezielle erfindungsgemäße Strahlführung von anre gendem Laserstrahl (31) und reemittiertem Strahl (38) wird insbesondere durch Einsatz des Toroidalspiegels (35) erreicht, der in den Schnittebenen der Fig. 2 und 3 jeweils unterschiedliche Krümmungsradien aufweist. Um den erforder lichen Winkelbereich der reemittierten Strahlung erfassen zu können, ist ein Toroidalspiegel erforderlich, dessen Abmessung im Bereich von 1,5 m × 0,3 m liegen. Aus herstellungstechnischen Gründen wird der Spiegel aus Einzelseg menten (39, 40) gemäß Fig. 4 hergestellt.

Gemäß Fig. 5a wird das spektral zerlegte Licht (41) von einer Multianoden- Photomultiplier-Röhre (42) erfaßt. Über eine Signalaufbereitung (43) und einen Analog-/Digital-Converter (44) gelangt das jeweilige Spektrum auf eine programmierte Logik (45), die in Synchronisation mit der in den Fig. 2 und 3 gezeigten optischen Ablenkeinheit (46), dem Laser (47) und einer speziel len Synchronisationseinheit (48) sowie mathematischen Algorithmen (49) in Kombination mit extern berechneten Kalibrationsvektoren (50), die Stoffiden tifikation, die Farbbestimmung und die Detektion von Kontaminationen bewirkt und entsprechende Befehle an die Sortiereinheit (51) weiterleitet.

Fig. 5b zeigt eine weitere Variante der Signalauswertung, bei der die pro grammierte Logik (45) in Fig. 5a durch eine analoge Signalverarbeitung nach mathematischen Modellen (52) ersetzt ist. Dabei werden die einzelnen Signalkanäle der Multianoden-Photomultiplier-Röhre (53) parallel über analoge Schaltungselemente gemäß dem jeweils vorgegebenen mathema tischen Modell verarbeitet. Ein nachgeschalteter Summierer (54) addiert die Signalinhalte aller parallelen Kanäle zu einem einzigen resultierenden Signal, welches von einem Komparator (55) in die Kategorien: Kontamination bzw. alternativ in die jeweilige Stoffklasse mit Farbe, klassifiziert wird.

Bei der dritten Variante der Signalauswertung wird gemäß Fig. 5c ein Prozessor (56) eingesetzt, der die aktuell gemessenen Spektren mit den in einem Datenspeicher (57) abgelegten Referenzspektren vergleicht, beurteilt und entsprechende Befehle an die Sortiereinheit (59) weiterleitet. Alternativ oder zusätzlich kann das jeweilige aktuelle Spektrum über mathematische Modelle, die sich in einem Speicher (58) befinden, beurteilt und klassifiziert werden.

Fig. 6 zeigt die Farberkennung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschieden eingefärbte PET-Materialien in Form unterschiedlicher Spektren für die Farben rot (59), braun (60), grün (61) und transparent (62). Man sieht, daß eine eindeutige Farbunterscheidung möglich ist.

Fig. 7 faßt die Spektren unterschiedlicher Stoffe aus den Grundmaterialien PVC (63), PET (64), PEN (65) und PC (66) zusammen, die sich ebenfalls durch klar unterschiedliche, charakteristische Kurvenformen unterscheiden.

Die gemäß dem neuen Verfahren erhaltenen Spektren für Kontaminationen sind in Fig. 8 dargestellt. Am Beispiel von Nitroverdünnung zeigt Spektrum (67) eine hohe Kontaminationskonzentration, wohingegen Spektrum (68) eine relativ niedrige Kontaminationskonzentration in PET-Grundmaterial wieder gibt. Zum Vergleich zeigt das Spektrum (69) das unkontaminierte Basismaterial PET.

Claims

1. Verfahren zur Detektion und Unterscheidung der Grundmaterialien, der Far ben und der Kontaminationen in granulatähnlichen oder tablettenförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe mit einem Laser zeilenförmig beleuchtet und das von den Stoffen reemittierte Licht über ein und dieselbe optische Anordnung erfaßt und spektraskopisch analysiert wird und daß die Stoffe nach Grundmaterialien und/oder nach Farben und/oder bezüglich Kontaminationen klassifiziert und separiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der Stoffe sowie die Erfassung der reemittierten Strahlung über eine optische Anordnung bestehend aus einem reflektierenden Polygonrad und einem Toroidalhohlspiegel erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Toroidal hohlspiegel aus mehreren Einzelsegmenten zusammengesetzt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spektral zerlegte Licht durch eine Multianoden-Photomultiplier-Röhre als Spektrum erfaßt wird und die Stoffanalyse, die Farbbestimmung und die Kontaminanten- Erkennung über eine Signalaufbereitung, eine programmierte Logik und über mathematische Algorithmen mit Kalibrationsvektoren erfolgen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spektral zerlegte Licht durch eine Multianoden-Photomultiplier-Röhre als Spektrum erfaßt wird und die Stoffanalyse, die Farbbestimmung und die Kontaminanten- Erkennung über eine Signalaufbereitung, eine analoge Multikanal-Signalver arbeitung nach mathematischen Modellen mit Aufsummierung der Inhalte aller Signalkanäle und Klassifizierung des Summensignals, erfolgen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spektral zerlegte Licht durch eine Multianoden-Photomultiplier-Röhre als Spektrum erfaßt wird und die Stoffanalyse, die Farbbestimmung und die Kontaminanten- Erkennung über einen Prozessor mit Zugriff auf Referenzspektren, die in einem Datenspeicher enthalten sind, erfolgen.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spektral zerlegte Licht durch eine Multianoden-Photomultiplier-Röhre als Spektrum erfaßt wird und die Stoffanalyse, die Farbbestimmung und die Kontaminanten- Erkennung über einen Prozessor und mathematische Klassifizierungsmodelle erfolgen.