EP1533045A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optimierten Sortierung von Abfall von Holz und Holzfaserprodukten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur optimierten Sortierung von Abfall von Holz und Holzfaserprodukten Download PDF

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EP1533045A1
EP1533045A1 EP03450252A EP03450252A EP1533045A1 EP 1533045 A1 EP1533045 A1 EP 1533045A1 EP 03450252 A EP03450252 A EP 03450252A EP 03450252 A EP03450252 A EP 03450252A EP 1533045 A1 EP1533045 A1 EP 1533045A1
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EP
European Patent Office
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objects
cameras
wavelength
material flow
wavelengths
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French (fr)
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EP1533045B1 (de
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Reinhold Huber
Rainer Eixelberger
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Binder and Co AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour
    • B07C5/3422—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour using video scanning devices, e.g. TV-cameras

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting, Recognizing and sorting objects of a material stream, in particular wood waste and wood fiber products such as paper and Kartonagen, according to the preamble of claim 1, as well as a Device for detecting, recognizing and sorting objects a stream of material according to the preamble of claim 9.
  • Thermally recyclable waste mixtures are often used for energetic use by burning used. Under the aspect of the sustainable use of valuable raw materials but it makes sense, from appropriate waste mixtures Sort out recyclables clean and use them as recycled goods. For a long time that is Use of waste paper and cardboard in the paper industry known and is now being carried out intensively.
  • a method of this type is known, for example, from EP 1 048 363 A2.
  • the material flow to be sorted is present Radiation sources and through the detection range of cameras moved along a rectilinear direction of movement, wherein the Cameras are the wavelengths of the objects of the Material stream emitted radiation and their intensity detect and control the following Sorting devices serve.
  • the wavelength of the reflected from the objects Radiation is determined, an assignment of the object to a certain faction is tried, and in the event that there is none Group can be clearly assigned, then the Intensity differences of the reflected radiation of be determined different sub-areas of the object. For example, large intensity differences of the reflected radiation from different object areas, this indicates printed paper, while low Intensity differences rather close to cardboard boxes, as cardboard generally hardly printed with small font is.
  • EP 1 048 363 A2 the idea is further expressed, a Line camera to use only a strip of a Object maps, with a movement of the object more Strips are recorded one after the other so as to shed light on to get the entire object.
  • the reflected wavelength of such a strip integral detected, a differentiation in terms of the reflected Wavelengths of different areas of a strip, however not made.
  • Claim 1 relates generically to a method for detecting, recognizing and sorting Objects of a material flow, in particular wood waste and Wood fiber products such as paper and cardboard, the pre Radiation sources and through the detection range of cameras, to control subsequent sorting serve, moved along a rectilinear movement direction is, whereby the detection range of the cameras strip-shaped across the direction of movement of the objects extends and the cameras the wavelengths of the Radiated objects of the material flow detect.
  • claim 1 provides that for several areas of this strip-shaped section the Intensity of an object of the material flow emitted radiation detected for multiple wavelengths becomes.
  • Claim 2 provides that the Control of the subsequent sorting by means Comparison of detected, location-dependent Wavelength spectra with previously measured wavelength spectra is made. Based on these comparisons of the collected location dependent, spectral reflectance intensities of measured object with previously collected product samples a classification of the object can be performed. Various materials can be predefined are taught and then assigned to material classes. Based on the classified gauges, the locomotion of Objects in the conveying direction of the sorting belt and the rapid Repetition of the measurement results in such a way classification-capable image of the object to be recognized. This image is evaluated using algorithms and accordingly the user's specifications of a run or one Assigned to discharge fraction.
  • Claim 3 therefore provides a possibility of reducing the amount of data to be evaluated before, by only selected, discrete Wavelength ranges for controlling the following Sorting devices are used.
  • the objects with electromagnetic radiation in certain To irradiate wavelength ranges are particularly advantageous, the objects with electromagnetic radiation in certain To irradiate wavelength ranges.
  • the wavelengths of the Radiation sources emitted radiation Wavelength range from near infrared to ultraviolet Include light.
  • the generation of evaluable wavelength spectra can on done different way.
  • the wavelength of the objects of the Material stream emitted radiation as a reflection spectrum is detected.
  • the Wavelength of the objects of the material flow emitted radiation detected as a transmission spectrum becomes. The decision on choosing one of these two Methods are added depending on the composition of the material flow be meeting.
  • Claim 9 finally provides a device for detecting, Recognizing and sorting objects of a material stream, in particular wood waste and wood fiber products such as paper and Cardboard boxes, in front, the radiation sources and cameras for Control of subsequent sorting devices comprises.
  • the detection range of the cameras, through which the material flow is moved along a rectilinear movement direction is while strip-shaped transversely to the direction of movement of the objects educated.
  • the cameras are detectors for the wavelengths of the objects of the material flow emitted radiation.
  • the characterizing features of claim 9 is provided in devices of this kind, that the cameras are spatially resolved spectrometers which deals with multiple areas of an object, respectively simultaneously within this strip-shaped section lie, measuring the intensity of this object allow emitted radiation for multiple wavelengths.
  • an NIR area camera is used for this purpose.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of a Embodiment of a sorting plant section for sorting of thermo energetically usable objects 7, 8, 9 as Wood waste, wood fiber products (e.g., waste paper, cardboard, Scraps of fabric), plastic waste (e.g., PET bottles, foils) as well as mixed fractions of different quality and Condition in which e.g. various existing substances, such as Paper 8, cardboard 9 or plastics 7 on at least one Sorting belt 1 lie and along a direction of movement. 2 be transported. At least one area of Sorting belt surface is characterized by at least one radiation source 3 irradiated. The radiation sources 3 can also use this Reflectors 4 be provided.
  • the radiation sources 3 can also use this Reflectors 4 be provided.
  • the of the individual objects 7, 8, 9 reflected radiation is detected by a camera 5 and the objects 7, 8, 9 on the basis of the determined data of a assigned to certain class of material or fraction 11, 12, as will be explained in more detail. Because of this assignment Sorting devices 10, 14 such as suction or Blow nozzles activated.
  • the physical separation of objects 7, 8, 9 can in this case by apparatus measures such as separating rollers, Separating tapes or separating edges 13 are supported.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment, which in Difference to the embodiment shown in Fig. 1 a Separation of the mix in three fractions allows.
  • This is achieved by, for example, another Conveyor 15 is provided on the means of a first sorting device 10, 14 about all cardboard boxes. 9 be lifted and head towards 16 to a collection point be transported. With the help of a second one Sorting device 10, 14 are subsequently the other fractions such as paper 8 and plastic 7 separated.
  • the separation of the different fractions using a suitable arrangement of suction and blowing nozzles or other conveyors can in many ways be made, however, are an accurate and reliable control of the sorting devices 10, 14 necessary, which in turn ensures rapid and reliable assignment the objects to the different fractions 11 or 12 conditionally.
  • the inventive method is for this purpose in the Location.
  • transmissive spectrometer systems which consists essentially of a lens 17, a Imaging Spectrograph 18 and a matrix detector 19 (e.g. a CCD camera) (see Fig. 4).
  • a matrix detector 19 e.g. a CCD camera
  • non-spatially resolved spectrometer must the Measuring head are moved over the object or the object be moved in different directions under the measuring head, nevertheless to provide locally differentiated spectral information receive.
  • Spatial spectrometer systems here also as camera 5 or spectrometer 5 referred to measuring devices, the one simultaneous recording of spectral and local Information of an object surface allowed.
  • the detection area 6 of the camera 5 is preferably line-by-line. or strip-shaped. This is done in a known manner achieves appropriate arrangement of lenses 17, the of the Object 7, 8, 9 emitted radiation on the entrance slot of the spectrograph 18.
  • the length of the pictured Strip can range from a few millimeters to several Meters vary by either commercially available Microscope lenses or usual camera lenses used become. The spatial resolution varies accordingly Micrometers for measurements in the millimeter range up to several Millimeters for measurements in the meter range. Typically will the spectral image of a monochrome CCD camera 19 added.
  • the location-dependent intensities for different wavelengths can thus be considered three-dimensional image are displayed. Every pixel corresponds to a specific location on the pictured strip of the object 7, 8, 9 and an intensity at a certain Wavelength.
  • the spatial axis is in x direction and the spectral axis in the y direction of the detector 19 laid.
  • the local resolution is then determined by the number of the pixels in the x direction, while the number of Wavelength bands by the number of pixels in y direction is determined.
  • the matrix detector 19 usually a CCD camera, has prefers a uniform sensitivity over one the broadest possible wavelength range.
  • CCD cameras 19 with such a characteristic at least in the visible Wavelength range are commercially available.
  • the good ones Measuring characteristics of the ultraviolet and blue Wavelength range to the near infrared.
  • NIR near infrared
  • These Technology works up to a wavelength of 2500 nm.
  • Transducer is preferred in these cases NIR area camera used.
  • an FPA Fluor Plane Array
  • InGaAs and thermoelectric cooling can be used.
  • CCD cameras 19 therefore sometimes indicated to use multiple spectrometers 5 to the entire wavelength range from the near infrared to sometimes in the UV range, because different materials for the generation of evaluable spectra sometimes in different wavelength ranges are examined have to. In this case, however, material flows can be sorted which are composed of diverse fractions.
  • CCD cameras are also CMOS, CID or "Diode array" cameras are conceivable, albeit at least currently available systems of this kind still significantly lower Have sensitivities as conventional CCD cameras.
  • the conversion of analog to digital data can be done using conventional PC frame grabber cards with 8-bit digitization be made, but it is at more sophisticated sorting tasks proves beneficial, Resolutions from 12 to 16 bit to use.
  • Alternatively can also be a conversion of the analog measurement signal into a digital signal, sometimes on PC frame grabber cards can also be dispensed with.
  • the amount of data collected can vary depending on the desired local and spectral resolution can sometimes be considerable. It will therefore be the speed of data processing to optimize which through appropriate data preparation as well as special Evaluation algorithms can be achieved. It turns out but in practice as adequate, not the whole spectral information at each pixel of the measured Object strip to digitize and evaluate, but to be limited to selected wavelength ranges. This can significantly increase the amount of data to be processed be reduced and the conveying speed of the Sorting belt 1 can be increased. Will about the number of to be evaluated coordinate points of the matrix detector 19 to the Factor 10 reduces, as a rule, a reduction is shown the data processing times by a factor of 100.
  • the required irradiation intensity with the aid of Radiation sources 3 depends in particular on the properties the camera optics, the camera sensitivity, the spectral Resolution, the integration time (ie the measuring time of a Strip, which depends on the conveying speed of the sorting belt 1), the f-number of the lens 17 and the Spectrograph 18 and the spatial dimensions of the Detection range 6 from. It's about as possible uniform illumination of the detection area 6. That can be about using fiber optic lamps or tungsten halogen lamps with linear parabolic or elliptical Reflectors 4 achieved with downstream cylindrical lenses become.
  • the lighting using the radiation sources 3 should be there as stable as possible and over the whole Wavelength range of the emitted radiation uniform ("flat") emission spectrum. As with many commercially available CCD cameras sensitivity in blue wavelength range decreases, may be in the lighting be ensured by means of the radiation sources 3 also the intensity is stronger in the blue wavelength range.
  • Halogen lamps provide about a very stable spectrum and have a relatively long lifetime but over weak emission in the blue wavelength range. With the aid of a red filter, the emission intensity can exceed the entire wavelength range but somewhat balanced become.
  • Xenon lamps produce a very flat spectrum in the visible area, but more unstable than that of halogen lamps is and also requires one High voltage supply. Xenon flash lamps can as well be used. They have a long life and represent high-power radiation sources, but Variations in intensity of 1-2% as well as spectral Instabilities in the lightning can occur.
  • the classifiers are capable of learning, i. it can be a variety of materials predefined, trained and then material classes be assigned. Based on the classified strip, the Moving the objects 7, 8, 9 in the conveying direction 2 of the Sorting tape 1 and the rapid repetition of the measurement This results in a classified image of the one to be recognized Object 7, 8, 9.
  • This picture is about algorithms evaluated and according to the instructions of the user Passing or assigned to a Austragsfr hope. To the assignment will be at the end of the sorting belt 1 time and Locally correct air nozzles or suction nozzles 10, 14 depending on Sorting task activated. After activation of the The object is discharged via a separating roller, separating belt or separating edge 13 separated from the other material flow.
  • the inventive method thus provides a comparatively simple process solution, not for every single separation phase (paper board, plastic paper, Plastic 1-plastic 2, etc.) a separate separator with radiation source, evaluation unit and discharge or Blowing device must be provided. Instead, over spatially resolved spectroscopy sufficient data material charged to make a reliable classification can. It is also possible when irradiated by only a radiation source 3 unique material properties according to which the individual political groups 11, 12 can be sorted out. So can also about the groupage Appearing impurities such as e.g. Foils, laminated Cardboard boxes, composite cartons, multilayer cardboard boxes with Metal or plastic films detected us to be sorted out.
  • impurities such as e.g. Foils, laminated Cardboard boxes, composite cartons, multilayer cardboard boxes with Metal or plastic films detected us to be sorted out.

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Abstract

Verfahren zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten (8, 9) eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier (8) und Kartonagen (9), der vor Strahlungsquellen (3) und durch den Erfassungsbereich von Kameras (5), die zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen (10, 14) dienen, entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung (2) bewegt wird, wobei sich der Erfassungsbereich (6) der Kameras (5) streifenförmig quer zur Bewegungsrichtung (2) der Objekte (8, 9) erstreckt und die Kameras (5) die Wellenlängen der von den Objekten (8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung detektieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Intensität der von den Objekten (8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung für mehrere Wellenlängen sowie für mehrere Bereiche dieses streifenförmigen Abschnittes (6) getrennt voneinander detektiert wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier und Kartonagen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten eines Materialstromes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Thermisch verwertbare Altstoffgemische werden häufig zur energetischen Nutzung mittels Verbrennen herangezogen. Unter dem Aspekt der nachhaltigen Nutzung von wertvollen Rohstoffen ist es aber sinnvoll, aus entsprechenden Altstoffgemischen Wertstoffe sauber auszusortieren und diese einer Verwendung als Recyclingware zuzuführen. Seit langer Zeit ist die Verwendung von Altpapier und -karton in der Papierindustrie bekannt und wird mittlerweile intensiv durchgeführt.
Bei der Sammlung von Altpapier und -karton werden diese beiden Hauptkomponenten gemischt gesammelt. Jedoch lässt es sich nicht vermeiden, dass auch anderes Material, das nicht unbedingt sofort und einfach als Fremdmaterial zu erkennen ist, in die Sammlung einfließt. Solches Fremdmaterial (z.B. Folien allgemeiner Art oder mit Kunststoff beschichtete Papiere) kann zur Papiererzeugung aber nicht verwendet werden und ist daher vorher meist händisch auszusortieren. Des weiteren ist für die Erzeugung von höher- und hochwertigem Papier die Kartonfraktion der Sammlung nicht geeignet, diese kann nur zur Erzeugung von minderwertigen Papieren bzw. Karton verwendet werden. Um eine sinnvolle Nutzung der gesammelten Papier- und Kartonmenge zu ermöglichen, ist daher auch eine Trennung der Sammelmenge in diese beiden Fraktionen sinnvoll und wirtschaftlich.
Verfahren, die aus dem Sammelgut der Papiersammlung die Papier- von der Kartonfraktion trennen, sind bereits bekannt und beruhen im wesentlichen auf optoelektronischen Systemen, die mittels Farb- und/oder Strukturerkennung (unter Verwendung von sichtbarem Licht) diese beiden Fraktionen trennen. Dies geschieht dadurch, dass die einzelnen Teile des gemischten Materialstromes einschichtig auf einem Sortierband aufgelegt werden, diese durch Strahlungsquellen (vorzugsweise Lichtquellen) bestrahlt und die reflektierte Strahlung von Auswerteeinheiten aufgenommen und mit Referenzwerten verglichen werden, die ihrerseits diese Stücke dann der jeweiligen Fraktion zuordnen, worauf diese dann durch Aufnehmer erfasst oder durch Druckluftblas- oder Saugdüsen einem vorbestimmten Ablageplatz zugeführt werden.
Ein Verfahren dieser Art ist etwa aus EP 1 048 363 A2 bekannt. Hierbei wird der zu sortierende Materialstrom vor Strahlungsquellen und durch den Erfassungsbereich von Kameras entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung bewegt, wobei die Kameras die Wellenlängen der von den Objekten des Materialstromes emittierten Strahlung sowie deren Intensität detektieren und zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen dienen. Dabei wird vorgeschlagen, dass zuerst die Wellenlänge der von den Objekten reflektierten Strahlung ermittelt wird, eine Zuordnung des Objekts zu einer bestimmten Fraktion versucht wird, und im Fall, dass es keiner Fraktion eindeutig zugeordnet werden kann, anschließend die Intensitätsunterschiede der reflektierten Strahlung von unterschiedlichen Teilbereichen des Objektes ermittelt werden. Zeigen sich dabei etwa große Intensitätsunterschiede der reflektierten Strahlung von unterschiedlichen Objektbereichen, so deutet dies auf bedrucktes Papier hin, während geringe Intensitätsunterschiede eher auf Kartonagen schließen lassen, da Karton im allgemeinen kaum mit kleiner Schrift bedruckt ist.
In EP 1 048 363 A2 wird des weiteren die Idee geäußert, eine Zeilenkamera einzusetzen, die lediglich einen Streifen eines Objekts abbildet, wobei bei einer Bewegung des Objekts mehrere Streifen nacheinander erfasst werden, um so Aufschluss über das gesamte Objekt zu erhalten. Insbesondere wird die reflektierte Wellenlänge eines solchen Streifens integral erfasst, eine Differenzierung hinsichtlich der reflektierten Wellenlängen unterschiedlicher Bereiche eines Streifens jedoch nicht vorgenommen.
Dass bei einer solchen Betrachtung etwa bunt bedruckte oder reinweiße Kartonagen der Papierfraktion zugeordnet und offensichtlich falsch ausgeschieden werden, mindert den Sortiererfolg und damit die Güte der sortierten Fraktionen. Auch können eventuell im Sammelgut aufscheinende Fremdstoffe (Folien, kaschierte Kartonagen, Verbundkartons, mehrschichtige Kartonagen mit Metall- oder Kunststofffolien) nicht erkannt und aussortiert werden.
Durch geändertes Konsumverhalten und Rationalisierung bei der Sammlung ist des weiteren eine wesentliche Zunahme von Störstoffen zu beobachten. Eine wirtschaftliche Aufbereitung der Sammelware unter Berücksichtigung der erforderlichen Endgüte der einzelnen sortierten Fraktionen wird daher immer schwieriger. So sind zur Zeit durch die Unzulänglichkeit der verfügbaren System komplexe Prozesslösungen erforderlich, etwa der Einsatz mehrerer Kameras.
Es ist daher Ziel der Erfindung, die Komplexität herkömmlicher Prozesslösungen zu vermeiden, um so etwa nicht für jede einzelne Trennphase (Papier-Karton, Kunststoff-Papier, Kunststoff 1-Kunststoff 2 etc.) eine eigene Trenneinrichtung mit Strahlungsquelle, Auswerteeinheit und Austrags- oder Ausblaseinrichtung vorsehen zu müssen. Des weiteren ist es Ziel der Erfindung, Erkenn- und Auswerteverfahren zu schaffen, die es ermöglichen, bei Bestrahlung durch nur eine Strahlungsquelle eindeutige Materialeigenschaften festzustellen, nach denen die einzelnen Fraktionen aussortiert werden können.
Diese Ziele werden durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier und Kartonagen, der vor Strahlungsquellen und durch den Erfassungsbereich von Kameras, die zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen dienen, entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung bewegt wird, wobei sich der Erfassungsbereich der Kameras streifenförmig quer zur Bewegungsrichtung der Objekte erstreckt und die Kameras die Wellenlängen der von den Objekten des Materialstromes emittierten Strahlung detektieren. Erfindungsgemäß sieht Anspruch 1 vor, dass für mehrere Bereiche dieses streifenförmigen Abschnittes die Intensität der von einem Objekt des Materialstromes emittierten Strahlung für mehrere Wellenlängen detektiert wird. Im Unterschied zu bekannten Verfahren wird somit nicht lediglich die Intensität für unterschiedliche Teilbereiche eines Objektstreifens zwecks Ermittlung von Intensitätsdifferenzen erhoben, sondern das gesamte Wellenlängenspektrum. Es handelt sich somit um ortsauflösende Spektroskopie, wodurch eine größere Datenvielfalt geschaffen wird, die letztendlich eine genauere Zuordnung zu unterschiedlichen Objektfraktionen ermöglicht, aber auch eine größere Vielfalt des zu trennenden Materialstromes zulässt.
Eine Möglichkeit der Auswertung dieser Datenfülle wird hierbei in Anspruch 2 vorgeschlagen. Anspruch 2 sieht vor, dass die Ansteuerung der nachfolgenden Sortiereinrichtungen mittels Vergleiches der detektierten, ortsabhängigen Wellenlängenspektren mit zuvor gemessenen Wellenlängenspektren vorgenommen wird. Anhand dieser Vergleiche der erhobenen ortsabhängigen, spektralen Reflektionsintensitäten des vermessenen Objekts mit bereits zuvor erhobenen Produktproben kann eine Klassifizierung des Objektes durchgeführt werden. Dabei können verschiedenste Materialien vordefiniert, angelernt und anschließend Materialklassen zugeordnet werden. Anhand der klassifizierten Messstreifen, der Fortbewegung der Objekte in Förderrichtung des Sortierbandes und der raschen Wiederholung der Messung ergibt sich so ein klassifikationsfähiges Bild des zu erkennenden Objektes. Dieses Bild wird über Algorithmen ausgewertet und entsprechend den Vorgaben des Benutzers einer Durchlauf- oder aber einer Austragsfraktion zugeordnet. Nach der Zuordnung werden am Ende des Sortierbandes zeit- und ortsrichtig Ausblasdüsen bzw. Saugdüsen je nach Sortieraufgabe aktiviert. Nach einer Aktivierung der Austragsorgane wird das Objekt über eine Trennkante, Trennrolle oder ein Trennband vom übrigen Materialstrom getrennt.
Im Anwendungsfall kann es sich aber zeigen, dass nicht das gesamte ortsabhängige Wellenlängenspektrum zur Klassifizierung eines Objektes herangezogen werden muss, sondern dass stattdessen ausgewählte, charakteristische Wellenlängenbereiche ausreichend sind. Anspruch 3 sieht daher eine Möglichkeit der Reduzierung der auszuwertenden Datenmenge vor, indem lediglich ausgewählte, diskrete Wellenlängenbereiche zur Ansteuerung der nachfolgenden Sortiereinrichtungen herangezogen werden.
Des weiteren erweist es sich oft als notwendig, zur Generierung von Reflektionsspektren, die für eine weitere Klassifizierung besonders vorteilhaft sind, die Objekte mit elektromagnetischer Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen zu bestrahlen. Gemäß Anspruch 4 ist daher vorgesehen, dass die Wellenlängen der von den Strahlungsquellen emittierten Strahlung einen Wellenlängenbereich von nahem Infrarot bis ultraviolettem Licht umfassen.
Aufgrund einer ortsauflösenden Spektroskopie gemäß Anspruch 1 und der so geschaffenen, größeren Datenvielfalt kann letztendlich auch die Sortierung einer größeren Vielfalt des zu trennenden Materialstromes bewältigt werden. Gemäß Anspruch 5 ist daher vorgesehen, dass der zu sortierende Materialstrom zusätzlich Kunststoffe umfasst, um so die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens besser auszunutzen. Dem entsprechend ist gemäß Anspruch 6 auch vorgesehen, dass der Materialstrom in mehr als zwei Fraktionen sortiert wird, die entlang unterschiedlicher Transportrichtungen ausgetragen werden.
Die Generierung auswertefähiger Wellenlängenspektren kann auf unterschiedliche Art erfolgen. So ist etwa gemäß Anspruch 7 vorgesehen, dass die Wellenlänge der von den Objekten des Materialstromes emittierten Strahlung als Reflexionsspektrum detektiert wird. Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, dass die Wellenlänge der von den Objekten des Materialstromes emittierten Strahlung als Transmissionsspektrum detektiert wird. Die Entscheidung über die Wahl einer dieser beiden Methoden wird je nach Zusammensetzung des Materialstromes zu treffen sein.
Anspruch 9 sieht schließlich eine Vorrichtung zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier und Kartonagen, vor, die Strahlungsquellen sowie Kameras zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen umfasst. Der Erfassungsbereich der Kameras, durch den der Materialstrom entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung bewegt wird, ist dabei streifenförmig quer zur Bewegungsrichtung der Objekte ausgebildet. Bei den Kameras handelt es sich um Detektoren für die Wellenlängen der von den Objekten des Materialstromes emittierten Strahlung sind. Gemäß der kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 9 ist bei Vorrichtungen dieser Art vorgesehen, dass es sich bei den Kameras um ortsauflösende Spektrometer handelt, die für mehrere Bereiche eines Objekts, die jeweils gleichzeitig innerhalb dieses streifenförmigen Abschnittes liegen, die Messung der Intensität der von diesem Objekt emittierten Strahlung für mehrere Wellenlängen erlauben. Gemäß Anspruch 10 wird hierzu eine NIR-Flächenkamera verwendet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Sortieranlagenabschnittes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Sortieranlagenabschnittes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Anordnung von Strahlungsquellen, Kamera und Sortierband, und
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung eines für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Spektrographen.
    • Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Sortieranlagenabschnittes zum Sortieren von thermoenergetisch verwertbaren Objekten 7, 8, 9 wie Holzabfälle, Holzfaserprodukte (z.B. Altpapier, Karton, Stoffreste), Kunststoffabfälle (z.B. PET-Flaschen, Folien) sowie von Mischfraktionen unterschiedlicher Qualität und Beschaffenheit, bei dem z.B. verschiedene Altstoffe, wie etwa Papier 8, Karton 9 oder Kunststoffe 7 auf mindestens einem Sortierband 1 liegen und entlang einer Bewegungsrichtung 2 transportiert werden. Zumindest ein Bereich der Sortierbandfläche wird durch mindestens eine Strahlungsquelle 3 bestrahlt. Die Strahlungsquellen 3 können hierzu auch mit Reflektoren 4 versehen sein. Die von den einzelnen Objekten 7, 8, 9 reflektierte Strahlung wird von einer Kamera 5 erfasst und die Objekte 7, 8, 9 aufgrund der ermittelten Daten einer bestimmten Materialklasse bzw. Fraktion 11, 12 zugeordnet, wie noch näher ausgeführt werden wird. Aufgrund dieser Zuordnung werden Sortiereinrichtungen 10, 14 wie etwa Saug- oder Blasdüsen angesteuert. Die physische Trennung der Objekte 7, 8, 9 kann hierbei durch apparative Maßnahmen wie Trennrollen, Trennbänder oder auch Trennkanten 13 unterstützt werden.
    Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, die im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eine Trennung des Mischgutes in drei Fraktionen ermöglicht. Dies wird etwa dadurch erreicht, dass eine weitere Fördereinrichtung 15 vorgesehen ist, auf die mittels einer ersten Sortiereinrichtung 10, 14 etwa alle Kartonagen 9 gehoben werden und in Richtung 16 zu einem Sammelort transportiert werden. Mithilfe einer zweiten Sortiereinrichtung 10, 14 werden in weiterer Folge die weiteren Fraktionen wie etwa Papier 8 und Kunststoff 7 getrennt. Die Trennung der unterschiedlichen Fraktionen mithilfe einer geeigneten Anordnung von Saug- und Blasdüsen bzw. weiteren Fördereinrichtungen kann in vielfältiger Weise vorgenommen werden, allerdings sind eine genaue und zuverlässige Ansteuerung der Sortiereinrichtungen 10, 14 notwendig, was wiederum eine rasche und zuverlässige Zuordnung der Objekte zu den unterschiedlichen Fraktionen 11 oder 12 bedingt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierzu in der Lage.
    Es sieht dabei den Einsatz ortsauflösender Spektrometersysteme vor. Hierbei werden transmissive Spektrometersysteme eingesetzt, die im wesentlichen aus einem Objektiv 17, einem bildgebenden Spektrograph 18 und einem Matrixdedektor 19 (z.B. eine CCD-Kamera) bestehen (siehe Fig. 4). Beim Einsatz herkömmlicher, nicht-ortsauflösender Spektrometer muss der Messkopf über dem Objekt verfahren werden oder das Objekt unter dem Messkopf in verschiedene Richtungen bewegt werden, um dennoch örtlich differenzierte Spektral information zu erhalten. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei ortsauflösenden Spektrometersystemen, hier auch als Kamera 5 oder Spektrometer 5 bezeichnet, um Messgeräte, die eine gleichzeitige Aufnahme von spektraler und örtlicher Information einer Objektoberfläche erlaubt.
    Der Erfassungsbereich 6 der Kamera 5 ist vorzugsweise zeilen- bzw. streifenförmig. Dies wird in bekannter Weise durch geeignete Anordnung von Objektiven 17 erreicht, die die vom Objekt 7, 8, 9 emittierte Strahlung auf den Eingangsschlitz des Spektrographen 18 abbilden. Die Länge des abgebildeten Streifens kann hierbei von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern variieren, indem entweder kommerziell erhältliche Mikroskopobjektive oder übliche Kameraobjektive verwendet werden. Die räumliche Auflösung variiert entsprechend von Mikrometern bei Messungen im Millimeterbereich bis zu mehreren Millimetern bei Messungen im Meterbereich. Typischerweise wird das spektrale Bild von einer monochromen CCD-Kamera 19 aufgenommen. Hierbei wird in einer ersten Dimension die durch den Eingangsschlitz definierte Ortsinformation, also die Positionsinformation innerhalb eines bestimmten Streifens, abgebildet und in einer zweiten Dimension der zu untersuchende Wellenlängenbereich. Die ortsabhängigen Intensitäten für unterschiedliche Wellenlängen können somit als dreidimensionales Bild dargestellt werden. Jeder Bildpunkt entspricht einem bestimmten Ort auf dem abgebildeten Streifen des Objekts 7, 8, 9 und einer Intensität bei einer bestimmten Wellenlänge. Üblicherweise wird die räumliche Achse in x-Richtung und die spektrale Achse in y-Richtung des Detektors 19 gelegt. Die örtliche Auflösung wird dann durch die Anzahl der Bildpunkte in x-Richtung bestimmt, während die Anzahl der Wellenlängenbanden durch die Anzahl der Bildpunkte in y-Richtung bestimmt wird. Darüber hinaus bleibt die Notwendigkeit bestehen, das Messobjekt relativ zum streifenförmigen Erfassungsbereich zu bewegen, um eine Fläche aufzunehmen. Im Gegensatz zu konventionellen Spektrometern muss das Messobjekt aber nur in einer Richtung bewegt werden.
    Der Matrixdetektor 19, in der Regel eine CCD-Kamera, weist bevorzugt eine gleichmäßige Empfindlichkeit über einen möglichst breiten Wellenlängenbereich auf. CCD-Kameras 19 mit einer solchen Charakteristik zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich sind kommerziell erhältlich. Darüber hinaus existieren auch spezialisierte CCD-Kameras, die gute Messcharakteristik vom ultravioletten und blauen Wellenlängenbereich bis zum nahen Infrarot aufweisen. Für die Bestimmung von chemischen Zusammensetzung von Materialgemischen wird ebenso ortsauflösende Spektroskopie verwendet, jedoch im nahen infrarot (NIR) Bereich. Diese Technologie arbeitet bis zu einer Wellenlänge von 2500 nm. Als Messwertaufnehmer wird in diesen Fällen bevorzugt eine NIR-Flächenkamera verwendet. Beispielsweise kann ein FPA (Focal Plane Array)-Detektor auf InGaAs-Basis und thermoelektrischer Kühlung eingesetzt werden.
    Es ist aufgrund der unterschiedlichen Messcharakteristika von kommerziell erhältlichen CCD-Kameras 19 daher mitunter angezeigt, mehrere Spektrometer 5 zu verwenden, um den gesamten Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot bis mitunter in den UV-Bereich abzudecken, da unterschiedliche Materialien zur Generierung auswertefähiger Spektren mitunter in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen untersucht werden müssen. In diesem Fall können aber Materialströme sortiert werden, die aus vielfältigen Fraktionen zusammengesetzt sind. Als Alternative zu CCD-Kameras sind auch CMOS-, CID- oder "Diode array"-Kameras denkbar, wenngleich zumindest derzeit erhältliche Systeme dieser Art noch deutlich geringere Empfindlichkeiten als herkömmliche CCD-Kameras aufweisen.
    Die Umwandlung von Analog- in Digitaldaten kann mithilfe von herkömmlichen PC-Frame-Grabber-Karten mit 8-bit-Digitalisierung vorgenommen werden, wobei es sich aber bei anspruchsvolleren Sortieraufgaben als vorteilhaft erweist, Auflösungen von 12 bis 16 bit zu verwenden. Alternativ dazu kann auch eine Umwandlung des Analog-Messsignals in ein digitales Signal erfolgen, wobei mitunter auf PC-Frame-Grabber-Karten auch verzichtet werden kann.
    Die erhobene Datenmenge kann je nach gewünschter örtlicher und spektraler Auflösung mitunter beträchtlich sein. Es wird daher die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung zu optimieren sein, was durch entsprechende Datenaufbereitung sowie spezielle Auswertealgorithmen erreicht werden kann. Es erweist sich jedoch in der Praxis als ausreichend, nicht die gesamte spektrale Information an jedem Bildpunkt des vermessenen Objektstreifens zu digitalisieren und auszuwerten, sondern sich auf ausgewählte Wellenlängenbereiche zu beschränken. Dadurch kann der Umfang der zu verarbeitenden Daten erheblich reduziert werden und die Fördergeschwindigkeit des Sortierbandes 1 gesteigert werden. Wird etwa die Anzahl der auszuwertenden Koordinatenpunkte des Matrixdetektors 19 um den Faktor 10 reduziert, so zeigt sich in der Regel eine Reduktion der Datenverarbeitungszeiten um den Faktor 100.
    Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das von der Oberfläche der Objekte 7, 8, 9 emittierte Licht in Abhängigkeit von Ort und Wellenlänge analysiert wird, ist in der Regel eine höhere Bestrahlungsintensität als etwa bei RGB-Kameras notwendig. Die erforderliche Bestrahlungsintensität mithilfe der Strahlungsquellen 3 hängt insbesondere von den Eigenschaften der Kameraoptik, der Kameraempfindlichkeit, der spektralen Auflösung, der Integrationszeit (also der Messzeit eines Streifens, die von der Fördergeschwindigkeit des Sortierbandes 1 abhängt), von der f-Zahl des Objektivs 17 sowie des Spektrographen 18 und den räumlichen Abmessungen des Erfassungsbereiches 6 ab. Es ist dabei auf eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung des Erfassungsbereiches 6 zu achten. Das kann etwa mithilfe von Faseroptik-Lampen oder Tungsten-Halogen-Lampen mit linearen parabolischen oder elliptischen Reflektoren 4 mit nachgeordneten Zylinderlinsen erreicht werden.
    Die Beleuchtung mithilfe der Strahlungsquellen 3 sollte dabei ein möglichst stabiles und über den gesamten Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung gleichmäßiges ("flaches") Emissionsspektrum aufweisen. Da bei vielen kommerziell erhältlichen CCD-Kameras die Empfindlichkeit im blauen Wellenlängenbereich abnimmt, kann bei der Beleuchtung mithilfe der Strahlungsquellen 3 auch sicher gestellt werden, dass die Intensität im blauen Wellenlängenbereich stärker ist. Halogenlampen liefern etwa ein sehr stabiles Spektrum und weisen eine verhältnismäßig große Lebenszeit auf, verfügen aber über schwache Emission im blauen Wellenlängenbereich. Mithilfe eines Rotfilters kann die Emissionsintensität über den gesamten Wellenlängenbereich aber etwas ausgeglichen werden. Xenon-Lampen produzieren ein sehr flaches Spektrum im sichtbaren Bereich, das aber instabiler als jenes von HalogenLampen ist und erfordern außerdem eine Hochspannungsversorgung. Xenon-Blitzlichtlampen können ebenso eingesetzt werden. Sie verfügen über ein große Lebensdauer und stellen Hochleistungs-Strahlungsquellen dar, wobei aber Variationen in der Intensität von 1-2% sowie spektrale Instabilitäten in den Blitzen auftreten können.
    Anhand von Vergleichen der erhaltenen spektral aufgeteilten Reflektionsintensitäten des Objektes 7, 8, 9 mit bereits eingelernten Produktproben kann eine Klassifizierung des Messobjektes 7, 8, 9 durchgeführt werden. Die Klassifikatoren sind lernfähig, d.h. es können verschiedenste Materialien vordefiniert, angelernt und anschließend Materialklassen zugeordnet werden. Anhand der klassifizierten Streifen, der Fortbewegung der Objekte 7, 8, 9 in Förderrichtung 2 des Sortierbandes 1 und der raschen Wiederholung der Messung ergibt sich so ein klassifiziertes Bild des zu erkennenden Objektes 7, 8, 9. Dieses Bild wird über Algorithmen ausgewertet und entsprechend den Vorgaben des Benutzers einer Durchlauf- oder aber einer Austragsfraktion zugeordnet. Nach der Zuordnung werden am Ende des Sortierbandes 1 zeit- und ortsrichtig Ausblasdüsen bzw. Saugdüsen 10, 14 je nach Sortieraufgabe aktiviert. Nach einer Aktivierung der Austragsorgane wird das Objekt über eine Trennrolle, Trennband oder Trennkante 13 vom anderen Materialstrom getrennt.
    Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine vergleichsweise einfache Prozesslösung dar, bei der nicht für jede einzelne Trennphase (Papier-Karton, Kunststoff-Papier, Kunststoff 1-Kunststoff 2 etc.) eine eigene Trenneinrichtung mit Strahlungsquelle, Auswerteeinheit und Austrags- oder Ausblaseinrichtung vorgesehen sein muss. Stattdessen wird über ortsaufgelöste Spektroskopie ausreichend Datenmaterial erhoben, um eine zuverlässige Klassifizierung vornehmen zu können. Dabei ist es auch möglich, bei Bestrahlung durch nur eine Strahlungsquelle 3 eindeutige Materialeigenschaften festzustellen, nach denen die einzelnen Fraktionen 11, 12 aussortiert werden können. So können etwa auch im Sammelgut aufscheinende Fremdstoffe wie z.B. Folien, kaschierte Kartonagen, Verbundkartons, mehrschichtige Kartonagen mit Metall- oder Kunststofffolien erkannt uns aussortiert werden.

    Claims (10)

    1. Verfahren zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten (8, 9) eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier (8) und Kartonagen (9), der vor Strahlungsquellen (3) und durch den Erfassungsbereich (6) von Kameras (5), die zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen (10, 14) dienen, entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung (2) bewegt wird, wobei sich der Erfassungsbereich (6) der Kameras (5) streifenförmig quer zur Bewegungsrichtung (2) der Objekte (8, 9) erstreckt und die Kameras (5) die Wellenlängen der von den Objekten (8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Bereiche eines Objekts (8, 9), die jeweils gleichzeitig innerhalb dieses streifenförmigen Abschnittes (6) liegen, die Intensität der von diesem Objekt (8, 9) emittierten Strahlung für mehrere Wellenlängen detektiert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der nachfolgenden Sortiereinrichtungen (10, 14) mittels Vergleiches der detektierten Wellenlängenspektren mit zuvor gemessenen Wellenlängenspektren vorgenommen wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ausgewählte, diskrete Wellenlängenbereiche zur Ansteuerung der nachfolgenden Sortiereinrichtungen (10, 14) herangezogen werden.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängen der von den Strahlungsquellen (3) emittierten Strahlung einen Wellenlängenbereich von nahem Infrarot bis zu ultraviolettem Licht umfassen.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstrom zusätzlich Kunststoffe (7) umfasst.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstrom in mehr als zwei Fraktionen sortiert wird, die entlang unterschiedlicher Transportrichtungen ausgetragen werden.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der von den Objekten (7, 8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung als Reflexionsspektrum detektiert wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der von den Objekten (7, 8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung als Transmissionsspektrum detektiert wird.
    9. Vorrichtung zum Erfassen, Erkennen und Sortieren von Objekten (8, 9) eines Materialstromes, insbesondere Holzabfälle und Holzfaserprodukte wie Papier (8) und Kartonagen (9), die Strahlungsquellen (3) sowie Kameras (5) zur Ansteuerung von nachfolgenden Sortiereinrichtungen (10, 14) umfasst, wobei der Erfassungsbereich (6) der Kameras (5), durch den der Materialstrom entlang einer geradlinigen Bewegungsrichtung (2) bewegt wird, streifenförmig quer zur Bewegungsrichtung (2) der Objekte (8, 9) ausgebildet ist und die Kameras (5) Detektoren für die Wellenlängen der von den Objekten (8, 9) des Materialstromes emittierten Strahlung sind, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kameras (5) um ortsauflösende Spektrometer handelt, die für mehrere Bereiche eines Objekts (8, 9), die jeweils gleichzeitig innerhalb dieses streifenförmigen Abschnittes (6) liegen, die Messung der Intensität der von diesem Objekt (8, 9) emittierten Strahlung für mehrere Wellenlängen erlauben.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5) eine NIR-Flächenkamera umfasst.
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