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Verfahren und Vorrichtung zum fotometrischen Sortieren von stückigen
Mineralien Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sortieren
von stückigen Mineralien wie beispielsweise Dolomit und Kalkstein oder Quarz und
Feldspat nach der Oberflächenfarbe.
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Derartige Sortierverfahren und -vorrichtungen sind an sich bekannt
(DAS 1 143 345). Im allgemeinen wird dabei so verfahren, daß die zu sortierenden
Gegenstände frei durch eine polygonale Kammer fallen, die im Inneren reflektierende
Wandungen aufweist. Mittels Lampen, die innerhalb der Kammer angeordnet sind, werden
die Gegenstände beleuchtet. Das von den Gegenständen reflektierte Licht wird durch
fotoelektrische Meßeinrichtungen beobachtet. Diesen Meßeinrichtungen sind jeweils
verschieden gefärbte Filter vorgeschaltet. Zur Übertragung des von den zu sortierenden
Gegenständen reflektierenden Lichtes sind ein Linsentubus, ein Linsensystern und
ein Lichtleitelement erforderlich. Der bei größeren Gutstücken unterschiedliche
Abstand vom Gutstück zur fotoelektrischen Meßeinrichtung führt zu Schwankungen in
der Intensität des reflektierten Lichtes, die den eigentlichen Meßwert um ein Mehrfaches
übersteigen können.
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Es ist auch bereits- ein Verfahren bekanntgeworden, das diese Schwierigkeiten
vermeidet und insbesondere Meßfehler infolge von Beleuchtungsschwankungen, wechselnden
Abständen und unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten der zu sortierenden
Mineralien beseitigt. Dazu wird aus den Intensitäten zweier diskreter Wellenlängenbereiche
(Spektralbereiche) des von einem Gutstück reflektierten Lichtes durch elektrische
Mittel ein Ausgangssignal gebildet, das eine Auswurfvorrichtung steuert, wobei die
Wellenlängenbereiche an beiden Enden des sichtbaren Lichtes des Spektrums aus dem
reflektierten Licht ausgefiltert und die Intensitäten unmittelbar ins Verhältnis
gesetzt werden.
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Jedes Gutstück wird mehrmals gemessen und die Auswurfvorrichtung erst
dann betätigt, wenn die Summe der aufeinanderfolgenden einzelnen 'tSchlecht-Signalet'
eine vorher eingestellte Anzahl von Impulsen in der Zeiteinheit überschreitet.
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Ganz allgemein kann man bei Verfahren zum Sortieren nach der Farbe
davon ausgehen, daß zunächst das reflektierte Licht eines oder mehrerer Spektralbereiche
durch lichtelektrische Wandler in elektrische Werte wie Spannungen, Ströme oder
Widerstände umgewandelt wird, wobei diese Werte verstärkt und mit einem Standard
verglichen werden. Dieser kann eine konstante Spannung, ein Strom oder ein Widerstand
sein, der immer besonders bereitgestellt wird.
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Dies ist auch dann der Fall, wenn eine Normalprobe oder ein bestimmter
Hintergrund mit einem Lichtwandler gemessen wird, dessen elektrischer Wert dann
der Standard ist.
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Ivachteilig bei diesen Verfahren ist die geringe Anpassungsfähigkeit
des Meß- und Auswerteverfahrens an die Beleuchtungsstärke des reflektierten Lichtes.
Je nach Beleuchtungsstärke gehen die von den Lichtwandlern abgegebenen elektrischen
Werte über mehrere Zehnerpotenzen.
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Bei den begrenzten Dynamikbereichen der Verstärker führt ein Uberschreiten
des Bereiches der Ausgangsspannung dazu, daß Unterschiede in den Fotoströmen nicht
mehr darstellbar sind.
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Die Folge dieser geringen Anpassungsfähigkeit ist die Notwendigkeit
einer hohen Beleuchtungsenergie.
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Große Schwierigkeiten bereitet auch der wechselnde Abstand vom Meßkopf
zur Mineraloberfläche, bedingt durch die unterschiedliche Dicke der Mineralien.
Bei ihnen ist es nicht möglich, wie bei flächigen Papieren, Textilien oder Kacheln
eine exakte Scharfeinstellung der Entfernung vorzunehmen, die sonst bei Farbmessungen
unabdingbar ist. Unterschiede durch den wechselnden Abstand sind mitunter größer
als Unterschiede im Reflexionsvermögen der Mineralien.
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Die verwendeten Standards müssen durch aufwendige Schaltungen kompensiert
werden, wenn es zu Lichtschwankungen kommt, bedingt durch unterschiedliche Spannungen
oder auch Lampenalterung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum fotometrischen Sortieren von stückigen Mineralien nach
deren Oberflächenfarbe zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet.
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Insbesondere beseitigt die Erfindung die reß- und Auswertefehler,
die durch die wechselnde Größe und Dicke der Mineralien und die Beleuchtungsschwankungen
entstehen.
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Auch sich nur wenig unterscheidende Mischfarben, wie sie für Mineralien
typisch sind, können mit befriedigendem Ergebnis unterschieden werden.
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Die Intensität des reflektierten Lichtes von Mineralien kann sehr
großen Schwankungen unterworfen sein, so daß eine einfache Verstärkung wegen der
Lichtwandlerkennlinie unbefriedigend wäre. Eine Regelschaltung mit Hilfe eines Rechenverstärkers
paßt darum die Fotoströme am Eingang der Fotoverstärker so an, daß die Verstärkung
immer im linearen Bereich der Fotoverstärker erfolgt.
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Somit kann mit einer geringen Beleuchtungsstärke gearbeitet und handelsübliche
Leuchtstofflampen verwendet werden, ohne daß Fremdlicht stört.
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Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß das von der Mineraloberfläche
reflektierte, in mindestens zwei Spektralbereiche zerlegte Licht durch lichtelektrische
Wandler in elektrische Werte umgesetzt, anschließend verstärkt und sodann mit einem
Standard'verglichen wird, der aus dem Mittelwert der Signale von mindestens zwei
Spektralbereichen ständig abgeleitet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird jedes
Mineral mehrmals gemessen und die Auswurfvorrichtung
erst dann betätigt,
wenn die Summe der aufeinanderfolgenden "Schlecht"-Impulse pro Zeiteinheit eine
vorher eingestellte Anzahl von Impulsen überschreitet.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert: Es zeigt Fig. 1 - die schematische Darstellung der Vorrichtung
zum Sortieren von stückigen Mineralien im Schnitt, Fig. 2 - den linearen und gesättigten
Bereich eines Verstärkers im Diagramm, Fig. 3 - einen Schnitt durch einen Meßkopf
eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fiy. 4 - einen
Schnitt durch einen Meßkopf eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, Fig. 5 - eine Prinzipschaltung der drei Fotoverstärker gemäß der Erfindung,
Fig. 6 - eine Prinzipschaltung entsprechend Fig. 5 mit Voreinstellströmen, Fig.
7 - eine Prinzipschaltung entsprechend Fig. 5 und Fig. 6 mit der erfindungsgemäßen
Rückführung des Summensignals und Fig. 8 - ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform besteht im wesentlichen
aus einem Förderband 1, auf dem die stückigen Mineralien 2 unter einer Beleuchtungswanne
3 hindurchgeführt werden.
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Mehrere Leuchtstofflampen 4 erzeugen mit der Innenwand ein weißes
diffuses Licht, so daß keine Schatten auf der Mineraloberfläche auftreten.
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Die Leuchtstofflampen 4 werden mit Wechselstrom von ca. 20 kflz gespeist,
damit das niederfrequente Flackern des 50 llz Drehstromes
vermieden
wird, das bei der elektrischen Weiterverarbeitung stören würde. Ein in der Beleuchtungswanne
3 angeordneter Meßkopf 5 tastet optisch einen begrenzten Teil der Oberfläche des
Minerals 2 ab.
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Das reflektierte Licht wird sodann im Meßkopf 5 in elektrische Werte
umgesetzt; diese werden in einer elektronischen Einheit 6 ausgewertet, die ggf.
einen Auswurfimpuls erzeugt, mit dem ein Magnetventil 7 geschaltet wird. Dieses
steuert einen Preßluftzylinder 8, der eine am Bandende angeordnete Auswurfklappe
9 betätigt.
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Zur Erzielung einer ausreichenden Durchsatzleistung der Sortieranlage
sind im allgemeinen mehrere parallele Kanäle erforderlich.
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Die Mineralien 2 müssen dabei in den einzelnen Kanälen hintereinanderliegen
und voneinander einen ausreichenden Abstand aufweisen. Einer vorteilhaften Ausbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zufolge laufen die Mineralien über eine Siebmaschine,
deren Boden in Fließrichtung mit Winkelprofilen versehen ist, so daß trapezförmige
Rinnen entstehen, in die die Mineralien zwangsweise zum Liegen kommen und somit
kanalisiert werden. Das Sieb übergibt die Mineralien auf das Förderband 1, das etwa
doppelt so schnell wie die Mineralien auf dem Sieb läuft, so daß die notwendigen
Abstände geschaffen werden. Je Meßkanal sind ein Meßkopf 5,eine elektronische Einheit
6 und eine Auswurfklappe 9 erforderlich. Die zwischen Meß- und Auswurfvorgang vorhandene
Zeitverzögerung wird von der elektronischen Einheit 6 gesteuert.
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Wie bereits erläutert wurde, weist jeder Verstärker nur einen begrenzten
Dynamikbereich auf, und es muß verhindert werden, daß die Ausgangsspannung diesen
linearen Bereich überschreitet, da sonst Unterschiede in den Fotoströmen nicht mehr
darstellbar sind.
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Fig. 2 veranschaulicht die Verhältnisse und zeigt den linearen und
den gesättigten Bereich eines Verstärkers. Hat die Ausgangsspannung Ua den Sättigungswert
sat erreicht, ruft jede weitere
Erhöhung der Eingangsspannung e
keine Vergrößerung der Ausgangsspannung U mehr hervor. Eine als Regelung arbeitende
Rückführung a bewirkt, daß die Fotosignale am Verstärkereingang jeweils auf ein
noch im Bereich der linearen Verstärkung liegendes Niveau gebracht werden.
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Somit können die sehr hohen Intensitätsschwankungen, die helle und
dunkle Mineralien aufweisen, kompensiert werden. Diese Regelung paßt sich automatisch
der mittleren Helligkeit eines Minerals an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung arbeiten
wie folgt: Das von der Mineraloberfläche 2 reflektierte Licht wird in einer ersten
Ausführungsform in drei Wellenlängenbereiche (Spektralbereiche) zerlegt, z. B. in
Blau, Grün und Rot; und zwar tritt es durch eineunerwünschtes Seitenlicht fernhaltende
Rasterblende 10 in den Meßkopf 5 ein und trifft auf drei plane, dichroitische Spiegel
11; diese sind 45 ° gegen die Achse des einfallenden Lichtes geneigt. Dabei wird
jeweils ein Wellenlängenbereich nahezu vollständig reflektiert, während der Rest
fast ungeschwächt den Spiegel passiert. Der reflektierte Anteil wird in einem Hohlspiegel
12 gesammelt, auf den dichroitischen Spiegel 11 zurückgeworfen, erneut gespiegelt
und trifft im Brennpunkt des Hohlspiegels 12 auf einen Lichtwandler 13. Die doppelte
Spiegelung dient hierbei zur Erhöhung der Trennschärfe.
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In einer anderen Ausführungsform wird das von der Mineraloberfläche
2 reflektierte Licht von einer Linse 14 gesammelt und trifft auf einen ersten dichroitischen
Planspiegel 15, der beispielsweise grün reflektiert. Das Licht wird ein zweites
Mal gespiegelt, worauf es von einer weiteren Linse 16 gesammelt und auf einen Lichtwandler
17 geworfen wird. Ein zweiter dichroitischer Spiegel 18 reflektiert z. B. blau,
das in gleicher Weise wie grün weiterbehandelt wird. Hinter dem zweiten dichroitischen
Spiegel verbleibt rot, das ebenfalls von einer Linse 16 gesammelt und auf einen
Lichtwandler 17 geworfen wird.
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Die weitere Verarbeitung wird turn wie folgt durchgeführt: Die drei
Lichtwandler 13 erzeugen drei Signale sb (blau), g (grün) und 5r (rot), die verstärkt
werden. Um gewünschte Arbeitspunkte bei jeder der drei Farben zu erzielen, wird
jedem Signal entsprechend den jeweils zu sortierenden Mineralien ein Vorstrom zugeschaltet,
der nur einmal eingestellt wird und dann konstant bleibt: b für blau, g für grün
und r für rot. Da diese Fotosignale sb, 5g und 5r sehr stark variieren können, wird
an dem Eingang aller Fotoverstärker jeweils eine Rückführung + a zugeschaltet.
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Auf diese Weise werden die Verstärkereingänge immer auf ein im linearen
Bereich der Fotoverstärker liegendes Niveau gebracht. Wie Fig. 7 zeigt, wird jeweils
ein Drittel der Verstärkerausgangssignale im Summenpunkt 19 zu einem Summen-Signal
vereinigt. Dieses ist der Mittelwert der verstärkten Fotosignale. Im nachfolgenden
Differenzverstärker 20 wird dieses Summen-Signal mit einer Referenzspannung ref
verglichen. Am Ausgang des Verstärkers 20 stellt sich ein Regelsignal + a ein, welches
der Differenz des Summen-Signals Uref proportional ist. Dieses Regelsignal wird
an den Eingang aller Fotoverstärker zurückgeführt und bewirkt eine Stabilisierung
der Arbeitspunkte, unabhängig von der absoluten Beleuchtungsstärke der Lichtwandler.
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Beträgt beispielsweise Uref = 1 Volt und Usat = 10 Volt, so können
Fotosignale im Bereich 1 : 20 im linearen Bereich des Verstärkers verarbeitet werden.
Der Bereich vergrößert sich auf 1 : 40, wenn Uref = 0,5 Volt beträgt.
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Die Verstärkung der Fotoströme wird demnach wiedergegeben mit Ub =
(b + a + s) 5b> f g = (g + a + sg) f r = (r + a + sr) f s 1/3 (Ub + Ug + Ur)
= konst. Usat
Das verstärkte Fotosignal U entsteht demnach aus dem
gemesb senen Anteil sb vom Lichtwandler, dem konstanten Voreinstellstrom b, der
Rückführung der Regelung + a und der konstanten Verstärkung f.
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Ein Drittel aller verstärkten Fotosignale ergibt das Summensignal
Us, das einen konstanten elektrischen Wert hat, weil es geregelt wird. Dieser Wert
bringt die Fotoströme in den linearen Bereich der Fotoverstärker.
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Das Summensignal Us, das den Mittelwert der verstärkten Fotosignale
darstellt, wird erfindungsgemäß somit ständig aus den Fotosignalen selbst abgeleitet
und ist mit ihnen über die Rückkopplung der Regelung relativiert. Auf diese Weise
sind alle Beleuchtungsschwankungen voll kompensiert.
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Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild der gesamten Sortierelektronik 6.
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Nach der Lichtaufteilung im Meßkopf 20, den Verstärkern 21 mit der
Rückführung 22 erfolgt in den Komparatoren 23 der Vergleich der verstärkten Fotosignale
Ub, Ug und Ur mit dem Standard Us.
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Als Ausgang liefert jeder der drei Komparatoren 23 ein negatives oder
positives Signal, je nachdem, ob Ub, Ug, Ur größer oder kleiner ist als U 5 Damit
ergeben sich acht Möglichkeiten: Komparator blau Komparator grün Komparator rot
1. + + + 2. + + 3. + ~ + 4. + 5. + + 6. - + 7. - ~ + 8.
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Davon haben die erste und die achte Möglichkeit keinen praktischen
Sinn, da es nicht möglich ist, daß gleichzeitig alle Fotosignale größer oder kleiner
sind als ihr Mittelwert.
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Die Möglichkeiten zwei bis sechs dagegen sind sinnvoll.
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Je nach der vorliegenden Aufgabe wird eine Matrix 24 so geschaltet,
daß eine oder mehrere dieser sechs Möglichkeiten erkannt werden und am Ausgang 25
entweder ein "Gut"-Signal "0" oder ein "Schlecht"-Signal "L" erzeugt wird.
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Diese Signale erscheinen kontinuierlich und synchron zu der Abtastung
des Teils der Mineraloberfläche 2. Sie werden nun an den Eingang eines Schieberegisters
26 gegeben, das von einem Taktgenerator 27 gespeist wird. In den Zellen des Schieberegisters
26 stehen dann digitalisiert 0- oder L-Signale.
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Das Schieberegister 26 gibt diese Taktsignale zeitverzögert auf eine
Integrierstufe 28. Diese konstante Zeitverzögerung wird benötigt, weil optisches
Abtasten und Auswerfen räumlich getrennt sind und somit nacheinander ablaufen müssen.
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Die Integrierstufe 28 ist ein Digital-Analogumsetzer, der die 0- und
L-Signale in eine Spannung umsetzt. L-Signale lassen die Spannung pro Zeiteinheit
ansteigen, Signale abfallen.
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Diese Integrierspannung wird mit einer Referenzspannung verglichen;
übersteigt sie diese, so erzeugt die Interierstufe 28 das eigentliche Auswurfsignal
29. Ein Monoflop stellt für eine Mindestdauer dieses Auswurfsignal 29 bereit. Die
einstellbare Höhe der Referenzspannung erlaubt es somit zu bestimmen, bei welcher
Anzahl "Schlechtimpulsen" pro Zeiteinheit das Auswurfsignal 29 erscheinen soll.
Dieses wird in einem Verstärker 30 so weit verstärkt, daß es z. B. ein Magnetventil
7 schalten kann, das seinerseits einen Preßluftzylinder 8 steuert. Dieser betätigt
sodann eine Auswurfklappe 9.