EP4279188A1 - System zum analysieren und sortieren eines materialteils - Google Patents

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EP4279188A1
EP4279188A1 EP22174653.0A EP22174653A EP4279188A1 EP 4279188 A1 EP4279188 A1 EP 4279188A1 EP 22174653 A EP22174653 A EP 22174653A EP 4279188 A1 EP4279188 A1 EP 4279188A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
detection
spectrometer
lenses
sorting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22174653.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claudius LASKA
Ronald Gillner
Dennis WINTERSCHEID
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH
Original Assignee
Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH filed Critical Hydro Aluminium Recycling Deutschland GmbH
Priority to EP22174653.0A priority Critical patent/EP4279188A1/de
Priority to PCT/EP2023/057379 priority patent/WO2023222284A1/de
Publication of EP4279188A1 publication Critical patent/EP4279188A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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

Definitions

  • the invention relates to a system for analyzing and sorting a material part, in particular a scrap part made of aluminum, comprising a feed means for transporting the material part, a sorting unit which is set up to feed the material part to one of two fractions, a laser device which is set up to to generate a plasma on a surface of the material part with a laser beam propagating along a beam axis, a spectrometer system which is set up to carry out a spectral analysis of a plasma light emitted by the laser-induced plasma and to generate an output signal in accordance with a result of the spectral analysis carried out, and a control device which is set up to receive the output signal and to operate the sorting unit based on the output signal and a sorting criterion, the spectrometer system having a spectrometer and a detection unit optically connected to the spectrometer, the detection unit having a lens to which a detection cone is assigned, which forms a plasma detection area in an overlap area with the laser beam.
  • a system of the type described above, ie of the generic type, is from the EP 3 352 919 B1 known.
  • the previously known system enables material parts, in particular scrap parts made of aluminum, to be sorted on the basis of laser-induced plasma spectroscopy, also referred to as LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy).
  • LIBS laser-induced breakdown spectroscopy
  • Laser-induced plasma spectroscopy is used to determine an element-specific composition of a material part, ie a sample, using a plasma.
  • the plasma is generated on a surface of the material part using high-intensity, focused laser radiation. Light imitated by the plasma is detected and spectrally evaluated in order to draw conclusions about the elemental composition of the material part.
  • the feed means can be, for example, oscillating plates that provide a feed surface along which the material parts are moved.
  • the material parts to be analyzed and sorted are transported according to the EP 3 352 919 B1 abandoned on a slide. Following gravity, the material pieces slide down the slide and leave it via a lower edge of the slide. From here, the material parts to be analyzed and sorted continue to move in free fall through the surrounding atmosphere, following the force of weight.
  • the feed means and the chute ensure that the material parts are separated and moved through a spatially defined fall corridor in free fall.
  • a laser device which is designed to generate a plasma on a surface of a material part using a laser beam that propagates along a beam axis.
  • a spectrometer system is provided which is set up to carry out a spectral analysis of a plasma light emitted by the laser-induced plasma and to generate an output signal in accordance with a result of the spectral analysis carried out.
  • This output signal is then used in combination with a sorting criterion in a sorting unit to feed the material parts leaving the chute to one of two fractions.
  • a sorting unit For example, an air nozzle can be used as a sorting unit, which is controlled accordingly by the control device. Certain material parts can be sorted out from the stream of material parts leaving the chute under the influence of air pressure. The result is a fraction of sorted material parts and a fraction of non-sorted material parts.
  • the previously known system serves to recognize parts of material of a certain composition and to separate them from parts of material of a different composition. Such a separation occurs either because a material part of an undesired composition is recognized and removed by means of the sorting unit or because the composition of a material part could not be reliably determined and therefore removal takes place by means of the sorting unit.
  • the fraction of material parts removed is therefore made up of material parts that are clearly identified in terms of their composition and are not desired on the one hand and parts of material that are not clearly identified in terms of their composition, on the other hand.
  • the object of the invention to further develop a system of the type mentioned at the beginning so that increased sorting efficiency is achieved.
  • the invention proposes that the detection unit has a further objective, to which a further detection cone is assigned, which forms a further plasma detection area in a further overlap area with the laser beam, the objectives being arranged and/or aligned in this way in relation to one another are that the plasma detection area and the further plasma detection area are arranged offset along the beam axis and together form a viewing area of the detection unit.
  • the embodiment according to the invention advantageously provides an enlarged detection range, with the result that more material parts can be reliably recognized with regard to their composition. As a result, the sorting result is improved because incorrect sorting is minimized. The result is sorting that is more effective.
  • the enlarged detection range results from the fact that, in contrast to the prior art, not just one lens is provided, but rather several lenses, i.e. at least two lenses. However, more than two lenses are preferred, for example three, four or even more lenses.
  • a plasma detection area is created for each lens. With four lenses, there are four plasma detection areas. According to the invention, it is now further provided that the lenses are arranged and/or aligned in relation to one another in such a way that the plasma detection areas are arranged offset along the beam axis of the laser beam and together form the viewing area of the detection unit.
  • the viewing area represents the overall resulting detection area, which is made up of the individual plasma detection areas and is therefore significantly enlarged in contrast to the prior art.
  • the detection area is formed by only one plasma detection area of a lens.
  • a plasma detection area can typically extend over a distance of 8 to 10 mm along the beam axis of the laser beam.
  • the inventive composition of the viewing area of the detection unit from individual plasma detection areas arranged offset along the beam axis leads to an overall detection area which has an extent of 20 mm, 30 mm, 40 mm or more in the direction of the beam axis. This advantageously ensures that material parts that would otherwise not be detectable can be reliably identified due to their geometric design, including in particular material parts that are spherical or partially spherical.
  • the system according to the invention allows improved sorting, since the proportion of material parts that are sorted out because their composition cannot be reliably identified is minimized.
  • a plasma detection area is set up so that in the case of a plasma present in the plasma detection area, a measurement portion of the plasma light is detected by the associated lens. If there is a laser-induced plasma in a plasma region, at least partially, a measurement portion of the emitted plasma light is recorded by the associated lens. If there are several lenses according to the invention, this means that the detection unit can detect plasma light in the form of measurement components of individual lenses.
  • the detection unit has a lens holder which jointly supports a plurality of lenses. According to this development, a compact design is achieved.
  • the detection unit only has one lens holder. This carries all the lenses, which can be arranged close to each other. This ensures an easy-to-use and compact design.
  • the plasma detection areas merge into one another or are arranged at a distance from one another along the beam axis.
  • the plasma detection areas can each extend over 1/10 to 1/4 of the viewing area along the beam axis. It is therefore possible, in particular after the sorting task, to form an overall detection area by appropriately arranging the plasma detection areas.
  • the lens holder provides an optical passage opening through which the beam axis runs.
  • the lens holder therefore has a passage opening through which the laser beam is guided when used as intended, namely along the beam axis. This also further promotes the development of a compact design.
  • the lens holder has a mounting plate which has a plurality of lens holder openings for each receiving a lens and the optical passage opening for the laser beam provides, wherein the lens holder openings are arranged distributed around the through opening.
  • the lens mount has a mounting plate.
  • This mounting plate is used to arrange the individual lenses.
  • Each lens has an opening through which the lens is guided and attached to the mounting plate.
  • the mounting plate also has the passage opening for the laser beam. It is particularly preferred to arrange the lens holder openings distributed around the passage opening for the laser beam. This constructive measure also supports the design of a compact design.
  • a detection cone extends along an observation axis which runs at an observation angle to the beam axis, the observation angle being between 0° and 90°, preferably between 3° and 60°, even more preferably between 5° and is 25°.
  • the purpose of setting up the observation angles is to form an optimized plasma detection area for each lens, particularly with regard to its geometric positioning.
  • different observation angles can be selected for the individual lenses, possibly so that some plasma detection areas are closer to one another than others.
  • the spectrometer system has a light guide system that optically connects the detection unit to the spectrometer.
  • the spectrometer system therefore has a spectrometer, a detection unit and a light guide system, whereby the light guide system serves to optically couple the detection unit to the spectrometer.
  • the plasma light captured by the detection unit is then transferred to the spectrometer by means of the light guide system, where the spectral analysis can then take place.
  • the light guidance system has a plurality of optical inputs.
  • the light guide system provides a number of optical inputs corresponding to the number of lenses, each optical input of the light guide system being assigned to a lens.
  • the light control system also has an optical output.
  • the optical output is used to output the measurement components recorded with the lenses.
  • the measurement components recorded on the input side of each lens are therefore sent jointly to the spectrometer via the single optical output.
  • the light guide system has a plurality of optical fibers, each of which provides an optical input and which are combined to form a common optical output. Accordingly, optical fibers are provided, each of which is coupled to a lens on the input side. On the output side, the optical fibers are connected to a common optical output, which opens optically into the spectrometer in the manner already described.
  • the laser device, the spectrometer system and the control device are accommodated in a common housing and form a LIBS module.
  • Such a LIBS module can be handled, in particular assembled and maintained, in a simple manner. It is also compact in design and, thanks to the enclosure, is robust and protected from external mechanical influences.
  • the feed means for transporting the material part is set up to move the material part along a To transport the feed surface up to an upper section of a chute.
  • the material part is fed into the feed means. From there it reaches a chute, where it is transported along a feed surface of the feed means, up to an upper section of the chute. Once the material piece reaches the chute, it moves down the chute following gravity.
  • the feed means can, for example, be designed as an oscillating plate, which causes the material parts fed to the feed means to be separated.
  • the purpose of the slide is, in particular, to align the material part and transfer it to a defined fall corridor.
  • the feed means can also be designed as a rotating conveyor belt.
  • the material parts to be analyzed and sorted lie on the conveyor belt and are moved along by it.
  • the sorting unit is assigned to a lower edge of the slide opposite the upper section of the slide, the sorting unit being set up to feed the material part leaving the slide via the lower edge of the slide to one of two fractions.
  • a piece of material leaves the chute in free fall and is subjected to analysis and sorting in free fall.
  • the laser device and the spectrometer system are arranged in the height direction below the lower edge of the slide.
  • the laser device and/or the spectrometer system can also be made to arrange the laser device and/or the spectrometer system above the slide and/or the feed means.
  • the feed means is designed as a conveyor belt
  • detection preferably takes place from above, in which case sorting can then take place either by providing an air bombardment from the side with respect to the conveyor belt or by viewing the material parts takes place from above, but sorting only takes place after the material parts have been removed have left the conveyor belt on the delivery side and are in free fall. In this case, sorting can take place from any direction.
  • Fig. 1 shows the system 100 according to the invention in a schematic representation.
  • the system 100 is set up to subject a material part 120 to laser-induced plasma spectroscopy and to sort it depending on the result of the spectral analysis, with two fractions F1 and F2 being provided in the exemplary embodiment shown, to which the material part 120 can be assigned. Collection points 170, for example in the form of containers, are used to collect the respective fractions F1 and F2.
  • the system 100 has a feed means 110 followed by a slide 130.
  • a material part 120 is fed to the feed means 110.
  • the feed means 110 is used to transport the material part 120 along a feed surface 111 provided by the feed means, namely up to an upper section 131 of the chute 130.
  • the material part 120 is transferred from the feed means 110 to the chute 130.
  • the feed means 110 can be designed as an oscillating plate. It serves in particular to separate a plurality of material parts 120 placed on the feed means 110 so that they can then be fed to the chute 130 at a distance from one another.
  • a material part 120 transferred to the slide 130 slides down the slide 130 following gravity, to the lower edge 132 of the slide, which is formed opposite the upper section 131 of the slide 130. It is in particular the task of the slide 130 to align the material part 120 and to transfer it into a defined fall corridor.
  • the spectrometer system 1 When leaving the slide 130, the material part 120 still moves under the influence of gravity in free fall through the surrounding atmosphere. This happens through the spectrometer system 1 according to the invention. This ensures an analysis of the material part 120, as will be described in more detail below.
  • the spectrometer system 1 In accordance with a result of a spectral analysis carried out, the spectrometer system 1 generates an output signal. This is fed to a control device 150, which operates, i.e. controls, a sorting unit 160 depending on this output signal on the one hand and a sorting criterion on the other.
  • the material part 120 is either deflected in its free fall or there is no deflection. In the event that there is no deflection, the material part 120 goes to the collection point 170 of the fraction F2. Otherwise, if sorting takes place by means of the sorting unit 160, the material part 120 reaches the collection point 170 for the fraction F1.
  • the spectrometer system 1 which is part of a LIBS module 180 according to the invention, is used to analyze the composition of the material part 120.
  • the LIBS module 180 also includes a laser device 140 and the control device 150.
  • the laser device 140, the spectrometer system 1 and the control device 150 are housed in a common housing, which is in Figure 1 is not shown in detail.
  • the laser device 140 in turn consists of further individual components, For example, a laser beam source 9, an optical fiber 9A and a focusing optics 11, as shown in particular using the exemplary embodiment Figure 2 can be recognized.
  • the spectrometer system 1 has a detection unit 21, which in turn provides several lenses. Each of these lenses is assigned a detection cone 35, which each forms a plasma detection area 39 in an overlap area with the laser beam 5. These plasma detection areas 39 are arranged offset from one another along the beam axis of the laser beam 5 and together form a viewing area 41 of the detection unit 21.
  • the viewing area 41 is therefore composed of the individual plasma detection areas 39, which defines the detection area covered by the detection unit as a whole.
  • Fig. 2 shows a schematic overview of a spectrometer system 1 for the spectral analysis of a plasma light 3A emitted by a laser-induced plasma 3 (schematically indicated as a filled circle).
  • Detectable plasma light 3A is, for example, in the wavelength range of UV light, visible light, near infrared light and/or infrared light; In particular, plasma light to be detected can be in the spectral range from approximately 190 nm to approximately 920 nm.
  • the plasma 3 is generated with a laser beam 5 on a surface 7A of a sample 7.
  • the spectrometer system 1 includes a laser beam source 9.
  • the laser beam source 9 is designed to provide laser beam parameters required for plasma generation.
  • the laser beam 5 is z. B. fed via an optical fiber 9A to a focusing optics 11 and from there onto the surface 7A of the sample 7 (material part 120 according to Figure 1 ) focused.
  • the focusing optics 11 can in particular be designed as a laser head component with a focusing function, such as an active laser component with a focusing function that acts in particular on the spectrum or the pulse duration or the pulse energy.
  • the laser beam 5 is propagated between the focusing optics 11 and the sample 7 along a beam axis 5A.
  • Example focus diameters (1/e 2 beam diameter in the beam waist) and focus lengths (double Rayleigh lengths) are in the range from ⁇ 50 ⁇ m to >250 ⁇ m and in the range from ⁇ 5 mm to >1,000 mm, respectively.
  • Laser parameters can in particular be set/selected such that an area in which plasma generation can take place (also referred to as an ignition area), for example over a length in the range of approximately 5 mm to approximately 50 mm, for example over a length of 10 mm , 20 mm or 30 mm, extends along the beam axis 5A.
  • an area in which plasma generation can take place also referred to as an ignition area
  • Fig. 2 shows schematically a focus zone 11A elongated along the beam axis 5A, as formed in the area of the surface 7A of the sample 7.
  • the plasma 3 forms due to the interaction of the laser radiation with the material on the surface of the sample 7A.
  • the usual dimensions (average diameter) of a plasma 3 are in the range of z. B. 0.1 mm to 5 mm (depending on sample material and laser parameters).
  • the spectrometer system 1 further includes an optical spectrometer 13 for spectral analysis of the plasma light 3A.
  • the optical spectrometer 13 is in Fig. 2 shown as an example as a grid spectrometer.
  • the spectrometer 13 comprises at least one dispersive element 13A, e.g. B. a grid, a prism or a grating prism, and a pixel-based detector 13B, onto which the plasma light strikes in a spectrally expanded manner.
  • Spectral components of the plasma light 3A to be analyzed are assigned to the pixels of the detector 13B.
  • the detector 13B outputs intensity values of the irradiated pixels to an evaluation unit 15, usually a computer with a processor and a memory.
  • the evaluation unit 15 outputs a measured spectral distribution 17 and compares it, for example, with stored comparison spectra in order to assign the elements contributing to the plasma light 3A and thus to the examined sample 3 and output them as the result of the spectral examination.
  • a (spectral-dependent) beam input for the plasma light to be analyzed is defined by an entrance aperture 19, usually an entrance slit 19A.
  • the spectrometer system 1 further comprises a detection unit 21 with a lens holder 23 and a plurality of lenses 25A, 25B, 25C, which are held by the lens holder 23.
  • a detection unit 21 with a lens holder 23 and a plurality of lenses 25A, 25B, 25C, which are held by the lens holder 23.
  • three lenses are shown in the figures, two in the image plane and one behind it.
  • the number of lenses used can be selected depending on spatial and optical parameters as well as parameters of the material of the sample to be examined; it lies e.g. B. in the range of 2 to 20, for example with 4, 5, 8, 9 or 15 lenses.
  • the spectrometer system 1, in particular the detection unit 21, further comprises an optical light guide system 27, which optically connects the lenses 25A, 25B, 25C with the spectrometer 13.
  • the light guide system 27 provides a plurality of optical inputs 29, each of which is optically assigned to one of the lenses 25A, 25B, 25C, and an optical output 31 (functional, common to the lenses), which is optically assigned to the entrance aperture 19.
  • Each of the lenses 25A, 25B, 25C is set up to capture a measurement portion 33 of the plasma light 3A and includes at least one focusing optical element, such as. B. a converging lens or a concave mirror.
  • a detection cone 35 is assigned to each of the lenses 25A, 25B, 25C.
  • the beam axis 5A runs through the detection cones 35, the detection cones 35 having a set minimum size in the area of the laser beam 5.
  • Each of the detection cones 35 includes a plasma detection area 39 in an overlap area with the laser beam 5, which is assigned to the corresponding objective 25A, 25B, 25C.
  • the detection cones 35 have a length from an entrance aperture of an objective to the laser beam in the range of 200 mm to 400 mm.
  • Fig. 2 An example is given in Fig. 2 the plasma 3 is generated in the plasma detection area 39 of the lens 25B, so that the associated measurement component 33 of the plasma light 3A is detected by the lens 25B and imaged onto the associated optical input 29 of the light guide system 27. Measurement components 33 detected by one or more lenses are guided by the optical light guide system 27 to the common optical output 31 and coupled through the entrance aperture 19 into the optical spectrometer 13 for spectral analysis.
  • Fig. 2 shows an example of three lenses 25A, 25B, 25C, which are arranged azimuthally distributed around the beam axis 5A.
  • the lenses 25A and 25B lie on opposite sides of the beam axis 5A and are thus directed onto the beam axis 5A from opposite sides.
  • the lens 25C is directed from behind onto the beam axis 5A.
  • Another lens in Fig. 2 not shown
  • the detection cones 35 are indicated by dashed lines tapering conically towards the beam axis 5A, with the focus zone 11A, the plasma 3 and the plasma detection areas 39 in comparison for clarity to the detection cones 35 are shown oversized.
  • Fig. 3 shows a mounting plate 23A of the detection unit 21 of the LIBS system to illustrate the arrangement and orientation of the lenses 25A, 25B, 25C.
  • the mounting plate 23A has lens mounting openings for receiving the lenses 25A, 25B, 25C.
  • the lens holder openings are each arranged at a radial distance from the beam axis 5A and are designed for an oblique alignment of the lenses 25A, 25B, 25C to the beam axis 5A.
  • observation axes 35A of the lenses 25A, 25B, 25C are shown. In the example shown, the observation axes 35A run at an observation angle ⁇ to the beam axis 5A.
  • the lenses 25A, 25B, 25C are mounted in the mount plate 23A (generally located and aligned in the mount 23) such that the plasma detection areas 39 are offset along the beam axis 5A.
  • the offset in the direction of the beam axis 5A can be achieved by varying the radial distance of the lenses 25A, 25B, 25C from the beam axis 5A (optionally with varying insertion). Examples include different radial distances R1 and R2 for the lenses 25A and 25B in Fig. 3 indicated.
  • the observation angle of at least some of the lenses can be adjusted to the desired offset of the plasma detection areas 39 in the direction of the beam axis 5A (see, for example, Fig. 6B ).
  • Mixed configurations are also possible.
  • the observation angle ⁇ can be in the range from 0° (via beam splitters along the laser beam) to 90° (observation orthogonal to the laser beam).
  • the observation angles ⁇ shown as examples within the scope of the disclosure are in the range from 5° to 15°, for example in the range from 5° to 10°.
  • the observation axes 35A of adjacent lenses 25A, 25B, 25C approach the beam axis 5A from different azimuthal directions (azimuthal angle in the plane perpendicular to the beam axis 5A). Im in Fig. 3
  • the observation angles ⁇ are comparable for all lenses and do not differ more than e.g. B.
  • the plasma detection areas 39 together form a viewing area 41 of the detection unit 21.
  • the viewing area 41 extends along the beam axis 5A in the area of the focus zone 11A.
  • Each of the plasma detection areas 39 is assigned a measurement depth along the beam axis 5A.
  • the measuring depth corresponds to: Fig. 3 e.g. B. a diameter of the circles that illustrate the plasma detection areas 39.
  • the measurement depth is a specific characteristic that is given by optical parameters such as focus length and aperture of the lens as well as by the arrangement and orientation of the lens (e.g. geometric position parameters of the lens with respect to the beam axis 5A - distance and angle).
  • the plasma detection areas 39 can each extend along the beam axis 5A over a measuring depth of approximately 5 mm to approximately 15 mm, in particular over a measuring depth of approximately 5 mm to approximately 12 mm.
  • the plasma detection areas 39 may extend along the beam axis 5A over 1/10 to 1/4 of the viewing area 41.
  • the offset plasma detection areas 39 are arranged along the beam axis 5A, for example, at a distance D in the order of magnitude of the measuring depth (here approximately twice the diameter of the plasma detection areas 39).
  • the plasma detection areas 39 can adjoin one another or partially overlap (for example in the range of 10% of the measuring depth). In this way, the lenses can detect plasma light from different sections of the viewing area 41 along the beam axis 5A.
  • an optional protective window 43A which is in the area of a optical through opening 43 can be provided in the holder plate 23A in order to be able to direct the laser beam through the holder 23 and past the lenses 25A, 25B, 25C onto the sample 7.
  • Fig. 4 shows a perspective view of an exemplary LIBS measuring head 51, which is connected to a laser beam source via an optical fiber 9A.
  • the holder 23 of the LIBS measuring head 51 comprises a longitudinal support plate 23B, on the input side of which an attachment for the optical fiber 9A and the focusing optics 11 (laser head with beam shaping) is provided.
  • the optical spectrometer 13 is also attached to the longitudinal support plate 23B and the mounting plate 23A for the four lenses 25A, 25B, 25C, 25D (generally n>1-fold entrance optics) is provided.
  • the lenses 25A, 25B, 25C, 25D are set up to detect measurement components of plasma light from plasma detection areas 39, which are arranged offset from one another along the beam axis 5A, and via the light guide system 27 (for example a fiber bundle with n>1 inputs and a functional output - "n-on-1 fiber bundle") to the spectrometer 13 for spectral analysis.
  • the light guide system 27 for example a fiber bundle with n>1 inputs and a functional output - "n-on-1 fiber bundle
  • Examples are in Fig. 4 two optical fibers 45 of the light guiding system 27 are shown, which optically connect the lenses 25B and 25C to the common spectrometer 13.
  • the measurement components in the spectrometer 13 (or optionally before coupling into the spectrometer 13) can be combined for a measurement process.
  • An n-to-1 fiber bundle allows multiple lenses to be fed into one spectrometer, where multiple n-to-1 bundles can be used to feed multiple spectrometers.
  • Fig. 5A shows a top view of the mounting plate 23A.
  • the optical passage opening 43 in the center allows the laser beam to pass through (laser beam axis 5A).
  • Four lens mounting openings 53A, 53B, 53C, 53D are arranged azimuthally around the through opening 43 with varying radial distances from the beam axis 5A. They are equally distributed azimuthally, so that two lens holder openings are opposite each other in pairs.
  • Four identical lenses 25A, 25B, 25C, 25D are inserted into the lens mounting holes 53A, 53B, 53C, 53D.
  • the lenses 25A, 25B, 25C, 25D were inserted at different distances into the lens holder openings 53A, 53B, 53C, 53D, so that depending on the radial distance, the associated plasma detection areas 39 are arranged next to each other in the direction of the beam axis and thus the viewing area 41 of the detection unit which causes the depth of field 21 train.
  • FIG. 6A An alternative embodiment is presented in the Figures 6A and 6B clarified.
  • four lens mounting openings 55A, 55B, 55C, 55D can be seen, which are arranged symmetrically at the same radial distance from the through opening 43 and, for example, evenly distributed around it.
  • the offset of the plasma detection areas 39 in the direction of the beam axis 5A is caused by different observation angles of the lenses 25A, 25B, 25C, 25D used.
  • the observation angles can be in the range of 3° to 15° at a radial distance of 30 mm, so that the viewing area 41 is formed at a distance of approximately 100 mm from the mounting plate 23A.
  • the detected spectral distributions can vary in a large-volume plasma.
  • these differences in the spectral distribution are negligible, since essentially the entire plasma lies in a plasma detection area 39.
  • Fig. 7 shows again a detailed view of the system 100 according to the invention Fig. 1 .
  • different material parts are provided in their composition, namely material parts 120B made of plastic and material parts 120A made of aluminum.
  • sorting can take place by means of the spectrometer system 1 according to the invention in such a way that the material parts 120A are separated from the material parts 120B.
  • the Sorting unit 160 removes the same if a material part 120B made of plastic is detected.
  • the sorting unit 160 has an air pressure nozzle, by means of which a plastic part 120B can be removed from the stream of material parts.

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend:- Ein Zuführmittel (110) zum Transportieren des Materialteils (120),- eine Sortiereinheit (160), die dazu eingerichtet ist, das Materialteil (120) einer von zwei Fraktionen (F1, F2) zuzuführen,- eine Lasereinrichtung (140), die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche 7A des Materialteils (120) ein Plasma (3) zu erzeugen,- ein Spektrometersystem (1), das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und- eine Steuervorrichtung (150), die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit (160) basierend auf dem Ausgangssignal und dem Sortierkriterium zu betreiben,- wobei das Spektrometersystem (1) ein Spektrometer (13) und eine mit dem Spektrometer (13) optisch verbundene Detektionseinheit (21) aufweist,- wobei die Detektionseinheit (21) ein Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet,dadurch gekennzeichnet,dass die Detektionseinheit (21) ein weiteres Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein weiterer Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem weiteren Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen weiteren Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, wobei die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) in Relation zueinander derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind, dass der Plasmadetektionsbereich (39) und der weitere Plasmadetektionsbereich (39) entlang der Strahlachse (5A) versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich (41) der Detektionseinheit (21) ausbilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend ein Zuführmittel zum Transportieren des Materialteils, eine Sortiereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Materialteil einer von zwei Fraktionen zuzuführen, eine Lasereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche des Materialteils ein Plasma zu erzeugen, ein Spektrometersystem, das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit basierend auf dem Ausgangssignal und einem Sortierkriterium zu betreiben, wobei das Spektrometersystem ein Spektrometer und eine mit dem Spektrometer optisch verbundene Detektionseinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit ein Objektiv aufweist, dem ein Detektionskegel zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl einen Plasmadetektionsbereich ausbildet.
  • Ein System der vorbeschriebenen, d. h. gattungsgemäßen Art ist aus der EP 3 352 919 B1 bekannt. Das vorbekannte System ermöglicht eine Sortierung von Materialteilen, insbesondere von Schrottteilen aus Aluminium, auf Basis einer laserinduzierten Plasmaspektroskopie, auch als LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) bezeichnet. Dabei wird die laserinduzierte Plasmaspektroskopie zur Bestimmung einer elementspezifischen Zusammensetzung eines Materialteils, d. h. einer Probe mithilfe eines Plasmas eingesetzt. Das Plasma wird mit hochintensiver, fokussierter Laserstrahlung an einer Oberfläche des Materialteils erzeugt. Vom Plasma imitiertes Licht wird detektiert und spektral ausgewertet, um auf eine elementare Zusammensetzung des Materialteils rückzuschließen.
  • Gemäß dem vorbekannten System werden zu sortierende Materialteile einem Zuführmittel aufgegeben. Bei dem Zuführmittel kann es sich beispielsweise um schwingungsbewegte Platten handeln, die eine Zuführfläche bereitstellen, entlang derer die Materialteile bewegt werden.
  • Mittels des Zuführmittels werden die zu analysierenden und sortierenden Materialteile gemäß der EP 3 352 919 B1 einer Rutsche aufgegeben. Der Schwerkraft folgend rutschen die Materialteile die Rutsche herunter und verlassen diese über eine untere Randkante der Rutsche. Von hier aus bewegen sich die zu analysierenden und zu sortierenden Materialteile nach wie vor der Gewichtskraft folgend im freien Fall durch die Umgebungsatmosphäre hindurch. Dabei dienen das Zuführmittel und die Rutsche dafür, dass eine Vereinzelung der Materialteile stattfindet und diese im freien Fall durch einen räumlich definierten Fallkorridor hindurchbewegt werden.
  • Während des freien Falls findet für jedes die Rutsche verlassende Materialteil eine laserinduzierte Plasmaspektroskopie statt. Zu diesem Zweck ist eine Lasereinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche eines Materialteils ein Plasma zu erzeugen. Des Weiteren ist ein Spektrometersystem vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen.
  • Dieses Ausgangssignal dient dann in Kombination mit einem Sortierkriterium im Weiteren einer Sortiereinheit dazu, die die Rutsche verlassenden Materialteile einer von zwei Fraktionen zuzuführen. Als Sortiereinheit kann beispielsweise eine Luftdüse zum Einsatz kommen, die mittels der Steuervorrichtung entsprechend angesteuert wird. Aus dem Strom an Materialteilen, die die Rutsche verlassen, können so unter Luftdruckeinwirkung bestimmte Materialteile aussortiert werden. Im Ergebnis stehen so eine Fraktion von aussortierten und eine Fraktion von nicht aussortierten Materialteilen.
  • Typischerweise dient das vorbekannte System dazu, Materialteile einer bestimmten Zusammensetzung zu erkennen und von Materialteilen einer anderen Zusammensetzung zu trennen. Dabei erfolgt eine solche Trennung entweder deshalb, weil ein Materialteil einer ungewünschten Zusammensetzung erkannt und mittels der Sortiereinheit ausgeschleust wird oder weil die Zusammensetzung eines Materialteils nicht sicher festgestellt werden konnte und deshalb eine Ausschleusung mittels der Sortiereinheit stattfindet. Die Fraktion der ausgeschleusten Materialteile setzt sich mithin zusammen aus in ihrer Zusammensetzung eindeutig identifizierten und nicht gewünschten Materialteilen einerseits und in ihrer Zusammensetzung nicht eindeutig identifizierten Materialteilen andererseits.
  • Obgleich sich das vorbeschriebene System im alltäglichen Praxiseinsatz bewährt hat, besteht Verbesserungsbedarf. So hat sich insbesondere herausgestellt, dass es trotz eines definierten Fallkorridors zur Ausschleusung von Materialteilen kommt, weil deren Zusammensetzung nicht eindeutig identifiziert werden kann. Es werden dabei auch solche Materialteile ausgeschleust, die bei einer eindeutigen Identifizierung nicht ausgeschleust worden wären. Diese Fehlausschleusung ist insbesondere dadurch begründet, dass Materialteile aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltungsform trotz Einhaltung des Fallkorridors am Plasmadetektionsbereich des Objektivs der Detektionseinheit vorbeifallen. Dies ist insbesondere bei sphärisch oder teilsphärisch ausgebildeten Materialteilen der Fall.
  • Eine Fehlaussortierung führt in nachteiliger Weise zu einer verminderten Sortiereffizienz. Diese könnte gegebenenfalls noch dadurch gesteigert werden, dass der Fallkorridor enger gefasst wird. Dies ist aber technisch aufwändig und führt zudem zu einer Verlangsamung der Sortiergeschwindigkeit. Im Übrigen kann hierdurch auch nicht sicher gewährleistet werden, dass zu analysierende Materialteile nicht doch am Plasmadetektionsbereich vorbeifallen, denn insbesondere sphärisch oder halbsphärisch ausgebildete Materialteile werden systemseitig sowohl vom Zuführmittel als auch von der Rutsche lagesicher geführt, können aber dann im freien Fall eine Ausrichtung annehmen, die eine sichere Detektion der Materialzusammensetzung nicht mehr ermöglicht.
  • Es ist deshalb ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, ein System der eingangs genannten Art konstruktiv dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine gesteigerte Sortiereffizienz erreicht ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Detektionseinheit ein weiteres Objektiv aufweist, dem ein weiterer Detektionskegel zugeordnet ist, der in einem weiteren Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl einen weiteren Plasmadetektionsbereich ausbildet, wobei die Objektive in Relation zueinander derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind, dass der Plasmadetektionsbereich und der weitere Plasmadetektionsbereich entlang der Strahlachse versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich der Detektionseinheit ausbilden.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erbringt in vorteilhafter Weise einen vergrößerten Detektionsbereich, und dies mit der Folge, dass ein Mehr an Materialteilen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung sicher erkannt werden kann. In der Konsequenz ist das Sortierergebnis verbessert, da Fehlaussortierungen minimiert sind. Im Ergebnis ergibt sich eine in ihrer Effektivität gesteigerte Sortierung.
  • Der vergrößerte Detektionsbereich ergibt sich dadurch, dass im Unterschied zum Stand der Technik nicht nur ein Objektiv vorgesehen ist, sondern mehrere Objektive, mindestens also zwei Objektive. Bevorzugt sind indes mehr als zwei Objektive, beispielsweise drei, vier oder noch mehr Objektive.
  • Je Objektiv stellt sich ein Plasmadetektionsbereich ein. Bei vier Objektiven sind mithin vier Plasmadetektionsbereiche gegeben. Erfindungsgemäß ist nun ferner vorgesehen, dass die Objektive in Relation zueinander derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind, dass die Plasmadetektionsbereiche entlang der Strahlachse des Laserstrahls versetzt angeordnet sind und zusammen den Sichtbereich der Detektionseinheit ausbilden. Dabei stellt der Sichtbereich den sich insgesamt ergebenden Detektionsbereich dar, der sich aus den einzelnen Plasmadetektionsbereichen zusammensetzt und mithin im Unterschied zum Stand der Technik deutlich vergrößert ist.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird also der Detektionsbereich durch nur einen Plasmadetektionsbereich eines Objektives gebildet. Entlang der Strahlachse des Laserstrahls kann sich ein solcher Plasmadetektionsbereich typischerweise über eine Strecke von 8 bis 10 mm erstrecken. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Sichtbereichs der Detektionseinheit aus einzelnen entlang der Strahlachse versetzt angeordneten Plasmadetektionsbereichen führt zu einem Gesamtdetektionsbereich, der in Richtung der Strahlachse eine Erstreckung von 20 mm, 30 mm, 40 mm oder mehr aufweist. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise erreicht, dass aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltung ansonsten nicht detektierbare Materialteile sicher erkannt werden können, so auch insbesondere sphärisch oder teilsphärisch ausgebildete Materialteile.
  • Im Ergebnis erlaubt das erfindungsgemäße System eine verbesserte Sortierung, da der Anteil an aussortierten Materialteilen, die deshalb aussortiert werden, weil ihre Zusammensetzung nicht sicher identifiziert werden kann, minimiert ist.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Plasmadetektionsbereich dazu eingerichtet ist, dass im Falle eines im Plasmadetektionsbereich vorliegenden Plasmas ein Messanteil des Plasmalichts von dem zugehörigen Objektiv erfasst wird. Wenn also in einem Plasmabereich ein laserinduziertes Plasma liegt, zumindest teilweise, so wird ein Messanteil des emittierten Plasmalichts von dem zugehörigen Objektiv erfasst. Bei erfindungsgemäß mehreren Objektiven führt dies dazu, dass die Detektionseinheit Plasmalicht in Form von Messanteilen einzelner Objektive erfassen kann.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit eine Objektivhalterung aufweist, die eine Mehrzahl von Objektiven gemeinschaftlich trägt. Gemäß dieser Weiterbildung wird eine kompakte Bauform erreicht. Die Detektionseinheit verfügt über nur eine Objektivhalterung. Diese trägt sämtliche Objektive, die nah benachbart zueinander angeordnet sein können. Es ist so eine einfach zu handhabende und kompakte Bauform sichergestellt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Plasmadetektionsbereiche entlang der Strahlachse ineinander übergehend oder voneinander beabstandet angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können sich die Plasmadetektionsbereiche entlang der Strahlachse jeweils über 1/10 bis 1/4 des Sichtbereichs erstrecken. Es ist mithin möglich, insbesondere nach Sortieraufgabe einen sich insgesamt ergebenden Detektionsbereich durch entsprechende Anordnung der Plasmadetektionsbereiche auszubilden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Objektivhalterung eine optische Durchgangsöffnung bereitstellt, durch die hindurch die Strahlachse verläuft. Die Objektivhalterung verfügt mithin über eine Durchtrittsöffnung, durch die hindurch im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall der Laserstrahl geführt ist, und zwar entlang der Strahlachse. Auch hierdurch wird die Ausbildung einer kompakten Bauform weiter gefördert.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Objektivhalterung eine Halterungsplatte aufweist, die mehrere Objektivhalterungsöffnungen zur jeweiligen Aufnahme eines Objektivs und die optische Durchgangsöffnung für den Laserstrahl bereitstellt, wobei die Objektivhalterungsöffnungen um die Durchgangsöffnung herum verteilt angeordnet sind.
  • Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform verfügt die Objektivhalterung über eine Halterungsplatte. Diese Halterungsplatte dient der Anordnung der einzelnen Objektive. Dabei ist je Objektiv eine Öffnung vorgesehen, durch die hindurch das Objektiv geführt und an der Halterungsplatte befestigt ist. Die Halterungsplatte weist des Weiteren die Durchgangsöffnung für den Laserstrahl auf. Dabei ist es besonders bevorzugt, die Objektivhalterungsöffnungen um die Durchgangsöffnung für den Laserstrahl herum verteilt anzuordnen. Auch diese konstruktive Maßnahme unterstützt die Ausgestaltung einer kompakten Bauform.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass sich ein Detektionskegel entlang einer Beobachtungsachse erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel zur Strahlachse verläuft, wobei der Beobachtungswinkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 3° und 60°, noch mehr bevorzugt zwischen 5° und 25° beträgt. Die Einrichtung der Beobachtungswinkel dient dazu, je Objektiv einen optimierten Plasmadetektionsbereich auszubilden, und zwar insbesondere hinsichtlich seiner geometrischen Positionierung. Dabei können je nach Ausgestaltung des gewünschten Sichtfensters unterschiedliche Beobachtungswinkel für die einzelnen Objektive gewählt werden, unter Umständen auch so, dass einige Plasmadetektionsbereiche näher zueinander liegen als andere. Bevorzugt ist es aber indes, die Beobachtungswinkel der einzelnen Objektive in etwa gleich groß auszubilden, beispielsweise mit einer maximalen Abweichung von einander von unter 3°.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spektrometersystem ein Lichtleitsystem aufweist, das die Detektionseinheit mit dem Spektrometer optisch verbindet.
  • Das Spektrometersystem verfügt mithin über ein Spektrometer, eine Detektionseinheit und Lichtleitsystem, wobei das Lichtleitsystem dazu dient, die Detektionseinheit mit dem Spektrometer optisch zu koppeln. Das über die Detektionseinheit eingefangene Plasmalicht wird mithin mittels des Lichtleitsystems zum Spektrometer überführt, wo dann die Spektralanalyse stattfinden kann.
  • Das Lichtleitsystem verfügt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung über eine Mehrzahl von optischen Eingängen. Bevorzugterweise stellt das Lichtleitsystem eine der Anzahl der Objektive entsprechende Anzahl an optischen Eingängen bereit, wobei jeder optische Eingang des Lichtleitsystems einem Objektiv zugeordnet ist.
  • Das Lichtleitsystem verfügt des Weiteren über einen optischen Ausgang. Dabei dient der optische Ausgang zur Abgabe der mit den Objektiven erfassten Messanteile. Die eingangsseitig je Objektiv aufgenommenen Messanteile werden mithin gemeinschaftlich über den nur einen optischen Ausgang an das Spektrometer abgegeben.
  • Von Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass beim Spektrometer zeitgleich sämtliche von den Objektiven je Materialteil erfassten Plasmalichtmesswerte ankommen. Es kann mithin auch eine gleichzeitige Verarbeitung aller Messwerte stattfinden. Dies reduziert deutlich die erforderliche Rechnerleistung im Unterschied zu einer separaten Analyse der einzelnen Messwerte.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lichtleitsystem mehrere Lichtleitfasern aufweist, die jeweils einen optischen Eingang bereitstellen und die zu einem gemeinsamen optischen Ausgang zusammengefasst sind. Demnach sind Lichtleitfasern vorgesehen, die eingangsseitig jeweils mit einem Objektiv gekoppelt sind. Ausgangsseitig sind die Lichtleitfasern an einen gemeinsamen optischen Ausgang angeschlossen, der in schon vorbeschriebener Weise im Spektrometer optisch mündet.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung, das Spektrometersystem und die Steuereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und ein LIBS-Modul ausbilden.
  • Ein solchen LIBS-Modul kann in einfacher Weise gehandhabt, insbesondere montiert und gewartet werden. Es ist zudem kompakt im Aufbau und aufgrund der Einhausung robust ausgebildet und vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zuführmittel zum Transportieren des Materialteils dazu eingerichtet ist, das Materialteil entlang einer Zuführfläche bis hin zu einem oberen Abschnitt einer Rutsche zu transportieren. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Materialteil dem Zuführmittel aufgegeben. Von dort aus gelangt es zu einer Rutsche, wobei es entlang einer Zuführfläche des Zuführmittels transportiert wird, und zwar bis hin zu einem oberen Abschnitt der Rutsche. Sobald das Materialteil die Rutsche erreicht hat, bewegt es sich der Schwerkraft folgend die Rutsche hinunter. Das Zuführmittel kann beispielsweise als schwingbewegte Platte ausgebildet sein, was eine Vereinzelung der dem Zuführmittel aufgegebenen Materialteile bewirkt. Der Sinn und Zweck der Rutsche ist es insbesondere, das Materialteil auszurichten und in einen definierten Fallkorridor zu übergeben.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Zuführmittel aber auch als umlaufendes Förderband ausgebildet sein. In diesem Fall liegen die zu analysierenden und zu sortierenden Materialteile auf dem Förderband auf und werden mittels diesem fortbewegt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sortiereinheit einer dem oberen Abschnitt der Rutsche gegenüberliegenden unteren Randkante der Rutsche zugeordnet ist, wobei die Sortiereinheit dazu eingerichtet ist, das die Rutsche über die untere Randkante der Rutsche verlassende Materialteil einer von zwei Fraktionen zuzuführen.
  • Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform verlässt ein Materialteil die Rutsche im freien Fall und wird im freien Fall einer Analyse und einer Sortierung unterzogen. Zu diesem Zweck sind insbesondere die Lasereinrichtung sowie das Spektrometersystem in Höhenrichtung unterhalb der unteren Randkante der Rutsche angeordnet.
  • Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, die Lasereinrichtung und/oder das Spektrometersystem oberhalb der Rutsche und/oder des Zuführmittels anzuordnen. Wenn beispielsweise das Zuführmittel als Transportband ausgebildet ist, so erfolgt eine Detektion bevorzugterweise von oben, wobei dann im Weiteren eine Aussortierung entweder dadurch stattfinden kann, dass ein mit Bezug auf das Transportband seitlicher Luftbeschuss vorgesehen ist oder es ist vorgesehen, dass eine Betrachtung der Materialteile zwar von oben stattfindet, ein Aussortieren aber erst erfolgt, nachdem die Materialteile das Förderband abgabeseitig verlassen haben und sich im freien Fall befinden. In diesem Fall kann eine Aussortierung aus allen beliebigen Himmelsrichtungen erfolgen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße System;
    Fig. 2
    in schematischer Darstellung die Funktionsweise des erfindungsgemäßen LIBS-Moduls;
    Fig. 3
    in einer weiteren schematischen Darstellung die Funktionsweise des erfindungsgemäßen LIBS-Moduls;
    Fig. 4
    in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße LIBS-Modul;
    Fign. 5a und 5b
    in einer Draufsicht sowie in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform einer Detektionseinheit;
    Fign. 6a und 6b
    in einer Draufsicht sowie in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform einer Detektionseinheit und
    Fig. 7
    in vergrößerter schematischer Darstellung das Spektrometersystem gemäß dem erfindungsgemäßen System nach Fig. 1.
  • Fig. 1 lässt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße System 100 erkennen.
  • Das System 100 ist dazu eingerichtet, ein Materialteil 120 einer laserinduzierten Plasmaspektroskopie zu unterziehen und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Spektralanalyse zu sortieren, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Fraktionen F1 und F2 vorgesehen sind, denen das Materialteil 120 zugeordnet werden kann. Zur Aufnahme der jeweiligen Fraktionen F1 und F2 dienen Sammelstellen 170, beispielsweise in Form von Behältern.
  • Wie die schematische Darstellung nach Figur 1 ferner erkennen lässt, verfügt das System 100 über ein Zuführmittel 110 gefolgt von einer Rutsche 130. Im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall wird ein Materialteil 120 dem Zuführmittel 110 aufgegeben. Das Zuführmittel 110 dient dem Transport des Materialteils 120 entlang einer vom Zuführmittel bereitgestellten Zuführfläche 111, und zwar bis zu einem oberen Abschnitt 131 der Rutsche 130. Hier wird das Materialteil 120 vom Zuführmittel 110 auf die Rutsche 130 übergeben. Das Zuführmittel 110 kann als schwingbewegte Platte ausgebildet sein. Es dient insbesondere dazu, eine Mehrzahl von auf das Zuführmittel 110 aufgegebenen Materialteilen 120 zu vereinzeln, so dass diese im weiteren voneinander beabstandet der Rutsche 130 zugeführt werden können.
  • Ein auf die Rutsche 130 übergebenes Materialteil 120 rutscht der Schwerkraft folgend die Rutsche 130 hinunter, bis zur unteren Randkante 132 der Rutsche, die dem oberen Abschnitt 131 der Rutsche 130 gegenüberliegend ausgebildet ist. Es ist insbesondere die Aufgabe der Rutsche 130, das Materialteil 120 auszurichten und in einen definierten Fallkorridor zu überführen.
  • Mit Verlassen der Rutsche 130 bewegt sich das Materialteil 120 nach wie vor unter Schwerkrafteinwirkung im freien Fall durch die Umgehungsatmosphäre. Dabei passiert es das erfindungsgemäße Spektrometersystem 1. Dieses sorgt für eine Analyse des Materialteils 120, wie des im Weiteren noch näher beschrieben werden wird. In Entsprechung eines Ergebnisses einer durchgeführten Spektralanalyse erzeugt das Spektrometersystem 1 ein Ausgangssignal. Dieses wird einer Steuereinrichtung 150 zugeführt, die in Abhängigkeit dieses Ausgangssignals einerseits und einem Sortierkriterium andererseits eine Sortiereinheit 160 betreibt, das heißt ansteuert. Mittels dieser Sortiereinheit 160 wird das Materialteil 120 in seinem freien Fall entweder abgelenkt oder es findet keine Ablenkung statt. Für den Fall, dass keine Ablenkung stattfindet, gelangt das Materialteil 120 zur Sammelstelle 170 der Fraktion F2. Andernfalls, wenn also eine Aussortierung mittels der Sortiereinheit 160 stattfindet, gelangt das Materialteil 120 zur Sammelstelle 170 für die Fraktion F1.
  • Zur Analyse der Zusammensetzung des Materialteils 120 dient das Spektrometersystem 1, das Teil eines erfindungsgemäßen LIBS-Moduls 180 ist. Dabei gehören zum LIBS-Modul 180 ferner eine Lasereinrichtung 140 sowie die Steuervorrichtung 150. Bevorzugterweise sind die Lasereinrichtung 140, das Spektrometersystem 1 und die Steuervorrichtung 150 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, was in Figur 1 nicht im Einzelnen dargestellt ist.
  • Die Lasereinrichtung 140 besteht ihrerseits aus weiteren Einzelkomponenten, beispielsweise einer Laserstrahlquelle 9, einer Lichtleitfaser 9A und einer Fokussieroptik 11, wie dies insbesondere anhand des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 zu erkennen ist.
  • Wie dies im Weiteren noch anhand insbesondere der Figuren 2 und 3 erläutert werden wird, verfügt das Spektrometersystem 1 über eine Detektionseinheit 21, die ihrerseits mehrere Objektive bereitstellt. Jedem dieser Objektive ist ein Detektionskegel 35 zugeordnet, die in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl 5 jeweils einen Plasmadetektionsbereich 39 ausbilden. Diese Plasmadetektionsbereiche 39 sind entlang der Strahlachse des Laserstrahls 5 versetzt zueinander angeordnet und bilden zusammen einen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 aus. Der Sichtbereich 41 setzt sich mithin aus den einzelnen Plasmadetektionsbereichen 39 zusammen, wodurch der von der Detektionseinheit insgesamt abgedeckte Detektionsbereich definiert ist.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Übersicht eines Spektrometersystems 1 zur Spektralanalyse eines von einem Laserinduzierten Plasma 3 (schematisch als gefüllter Kreis angedeutet) emittierten Plasmalichts 3A. Detektierbares Plasmalicht 3A liegt beispielsweise im Wellenlängenbereich von UV-Licht, sichtbarem Licht, nahem Infrarotlicht und/oder Infrarotlicht; insbesondere kann zu detektierendes Plasmalicht im Spektralbereich von ca. 190 nm bis ca. 920 nm liegen. Bei LIBS wird das Plasma 3 mit einem Laserstrahl 5 auf einer Oberfläche 7A einer Probe 7 erzeugt.
  • Zur Erzeugung des, z. B. gepulsten, Laserstrahls 5 umfasst das Spektrometersystem 1 eine Laserstrahlquelle 9. Die Laserstrahlquelle 9 ist dazu ausgebildet, für die Plasmaerzeugung benötigte Laserstrahlparameter bereitzustellen. Der Laserstrahl 5 wird z. B. über eine Lichtleitfaser 9A einer Fokussieroptik 11 zugeführt und von dieser auf die Oberfläche 7A der Probe 7 (Materialteil 120 gemäß Figur 1) fokussiert. Die Fokussieroptik 11 kann insbesondere als eine Laserkopfkomponente mit Fokussierfunktion wie eine insbesondere auf das Spektrum oder die Pulsdauer oder die Pulsenergie einwirkende aktive Laserkomponente mit Fokussierfunktion ausgebildet sein. Die Ausbreitung des Laserstrahls 5 zwischen Fokussieroptik 11 und Probe 7 erfolgt entlang einer Strahlachse 5A. Beispielhafte Fokusdurchmesser (1/e2-Strahldurchmesser in der Strahltaille) und Fokuslängen (doppelte Rayleigh-Längen) liegen im Bereich von <50 µm bis >250 µm bzw. im Bereich von <5 mm bis >1.000 mm.
  • Laserparameter können insbesondere derart eingestellt/gewählt werden, dass sich ein Bereich, in dem Plasmaerzeugung stattfinden kann (auch als Zündbereich bezeichnet), beispielsweise über eine Länge im Bereich von ca. 5 mm bis ca. 50 mm, beispielsweise über eine Länge von 10 mm, 20 mm oder 30 mm, entlang der Strahlachse 5A erstreckt.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine entlang der Strahlachse 5A langgezogene Fokuszone 11A, wie sie im Bereich der Oberfläche 7A der Probe 7 ausgebildet wird. Das Plasma 3 bildet sich aufgrund der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material an der Oberfläche der Probe 7A aus. Bei LIBS liegen übliche Ausmaße (gemittelter Durchmesser) eines Plasmas 3 im Bereich von z. B. 0,1 mm bis 5 mm (abhängig von Probenmaterial und Laserparameter).
  • Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner ein optisches Spektrometer 13 zur Spektralanalyse des Plasmalichts 3A. Das optische Spektrometer 13 ist in Fig. 2 beispielhaft als Gitterspektrometer dargestellt. Allgemein umfasst das Spektrometer 13 mindestens ein dispersives Element 13A, z. B. ein Gitter, ein Prisma oder ein Gitterprisma, und einen pixelbasierten Detektor 13B, auf den das Plasmalicht spektral aufgeweitet auftrifft. Den Pixeln des Detektors 13B sind spektrale Komponenten des zu analysierenden Plasmalichts 3A zugeordnet. Der Detektor 13B gibt Intensitätswerte der bestrahlten Pixel an eine Auswerteeinheit 15, üblicherweise ein Computer mit einem Prozessor und einem Speicher, aus. Die Auswerteeinheit 15 gibt eine gemessene spektrale Verteilung 17 aus und vergleicht diese beispielsweise mit abgelegten Vergleichsspektren, um dem Plasmalicht 3A und damit der untersuchten Probe 3 die zum Plasmalicht 3A beitragenden Elemente zuzuordnen und als Ergebnis der spektralen Untersuchung auszugeben.
  • Im Spektrometer 13 ist ein (spektralabhängiger) Strahleingang für das zu analysierende Plasmalicht durch eine Eintrittsapertur 19, üblicherweise ein Eintrittsspalt 19A, festgelegt.
  • Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner eine Detektionseinheit 21 mit einer Objektivhalterung 23 und mehreren Objektiven 25A, 25B, 25C, die von der Objektivhalterung 23 gehalten werden. Beispielhaft werden in den Figuren drei Objektive gezeigt, zwei in der Bildebene und eines dahinterliegend. Die Anzahl der verwendeten Objektive kann in Abhängigkeit räumlicher und optischer Parameter sowie Parameter des Materials der zu untersuchenden Probe ausgewählt werden; sie liegt z. B. im Bereich von 2 bis 20, beispielsweise bei 4, 5, 8, 9 oder 15 Objektiven.
  • Das Spektrometersystem 1, insbesondere die Detektionseinheit 21, umfasst ferner ein optisches Lichtleitsystem 27, das die Objektive 25A, 25B, 25C mit dem Spektrometer 13 optisch verbindet. Das Lichtleitsystem 27 stellt mehrere optische Eingänge 29, die jeweils optisch einem der Objektive 25A, 25B, 25C zugeordnet sind, und einen (den Objektiven gemeinsamen, funktionellen) optischen Ausgang 31, der optisch der Eintrittsapertur 19 zugeordnet ist, bereit.
  • Jedes der Objektive 25A, 25B, 25C ist zum Erfassen eines Messanteils 33 des Plasmalichts 3A eingerichtet und umfasst mindestens ein fokussierendes optisches Element, wie z. B. eine Sammellinse oder einen konkaven Spiegel. Jedem der Objektive 25A, 25B, 25C ist ein Detektionskegel 35 zugeordnet. Die Strahlachse 5A verläuft durch die Detektionskegel 35, wobei die Detektionskegel 35 im Bereich des Laserstrahls 5 eine eingestellte Mindestgröße aufweisen. Jeder der Detektionskegel 35 umfasst in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl 5 einen Plasmadetektionsbereich 39, der dem entsprechenden Objektiv 25A, 25B, 25C zugeordnet ist. Beispielsweise weisen die Detektionskegel 35 eine Länge von einer Eintrittsapertur eines Objektivs zum Laserstrahl im Bereich von 200 mm bis 400 mm auf. Beispielhaft wird in Fig. 2 das Plasma 3 im Plasmadetektionsbereich 39 des Objektivs 25B erzeugt, sodass der zugehörige Messanteil 33 des Plasmalichts 3A vom Objektiv 25B erfasst und auf den zugeordneten optischen Eingang 29 des Lichtleitsystems 27 abgebildet wird. Von einem oder mehreren Objektiven erfasste Messanteile 33 werden vom optischen Lichtleitsystem 27 zum gemeinsamen optischen Ausgang 31 geleitet und durch die Eintrittsapertur 19 in das optische Spektrometer 13 zur spektralen Analyse eingekoppelt.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft drei Objektive 25A, 25B, 25C, die azimutal verteilt um die Strahlachse 5A angeordnet sind. Die Objektive 25A und 25B liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlachse 5A und sind somit von gegenüberliegenden Seiten auf die Strahlachse 5A gerichtet. Das Objektiv 25C ist von hinten auf die Strahlachse 5A gerichtet. Ein weiteres Objektiv (in Fig. 2 nicht gezeigt) kann beispielsweise von vorne auf die Strahlachse 5A gerichtet sein oder mithilfe eines Strahlteilers entlang der Strahlachse 5A auf die Fokuszone 11A gerichtet sein. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 2 die Detektionskegel 35 konisch auf die Strahlachse 5A zulaufend gestrichelt angedeutet, wobei die Fokuszone 11A, das Plasma 3 und die Plasmadetektionsbereiche 39 zur Verdeutlichung im Vergleich zu den Detektionskegeln 35 übergroß dargestellt sind.
  • Fig. 3 zeigt eine Halterungsplatte 23A der Detektionseinheit 21 des LIBS-Systems zur Verdeutlichung der Anordnung und Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C. Zur ortsfesten Montage der Objektive weist die Halterungsplatte 23A Objektivhalterungsöffnungen zur Aufnahme der Objektive 25A, 25B, 25C auf. Die Objektivhalterungsöffnungen sind jeweils in einem radialen Abstand zur Strahlachse 5A angeordnet und für eine schräge Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C auf die Strahlachse 5A ausgebildet. Zur Verdeutlichung der schrägen Ausrichtung sind Beobachtungsachsen 35A der Objektive 25A, 25B, 25C dargestellt. Im gezeigten Beispiel verlaufen die Beobachtungsachsen 35A unter einem Beobachtungswinkel α zur Strahlachse 5A.
  • Zur Verwirklichung des multifokalen Konzepts sind die Objektive 25A, 25B, 25C derart in der Halterungsplatte 23A befestigt (allgemein in der Halterung 23 angeordnet und ausgerichtet), dass die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A versetzt angeordnet sind. Insbesondere bei vergleichbaren Beobachtungswinkeln α kann der Versatz in Richtung der Strahlachse 5A durch Variation des radialen Abstands der Objektive 25A, 25B, 25C von der Strahlachse 5A (optional mit variierendem Einschub) erreicht werden. Beispielhaft sind unterschiedliche radiale Abstände R1 und R2 für die Objektive 25A und 25B in Fig. 3 angedeutet. Alternativ kann (optional bei einem vergleichbaren radialen Abstand) der Beobachtungswinkel zumindest einiger der Objektive an den gewünschten Versatz der Plasmadetektionsbereiche 39 in Richtung der Strahlachse 5A angepasst werden (siehe z. B. Fig. 6B). Mischformen in der Konfiguration sind ebenfalls möglich.
  • Allgemein kann der Beobachtungswinkel α im Bereich von 0° (über Strahlteiler entlang des Laserstrahls) bis 90° (Beobachtung orthogonal zum Laserstrahl) liegen. Die im Rahmen der Offenbarung beispielhaft gezeigten Beobachtungswinkel α liegen im Bereich von 5° bis 15°, beispielsweise im Bereich von 5° bis 10°. Die Beobachtungsachsen 35A benachbarter Objektive 25A, 25B, 25C laufen von verschiedenen azimutalen Richtungen her auf die Strahlachse 5A zu (azimutaler Winkel in der Ebene senkrecht zur Strahlachse 5A). Im in Fig. 3 gezeigten Fall sind die Beobachtungswinkel α für alle Objektive vergleichbar und weichen nicht mehr als z. B. 5° oder 1° voneinander ab (Abweichung gegeben z. B. durch erlaubte Fertigungstoleranzen der Objektivhalterungsöffnungen und Objektive). Jedoch variieren in der Anordnung der Fig. 3 die radialen Abstände zur Strahlachse 5A. Entsprechend können vergleichbare Spektren von den Plasmadetektionsbereichen 39 der verschiedenen Objektive für eine Probe bei verschiedenen Lagen der Oberfläche der Probe entlang der Strahlachse 5A (entsprechend unterschiedlichen Messkonstellationen im Rahmen eines Messvorgangs) aufgenommen werden, zum Beispiel vom Objektiv 25B bei einem Oberflächenverlauf gemäß der durchgezogenen Linie (Oberfläche 7A der Probe 7 aus Fig. 2) oder vom Objektiv 25A im Fall eines Oberflächenverlaufs gemäß der strichpunktierten Linie 7A' oder vom Objektiv 25C im Fall eines Oberflächenverlaufs gemäß der gestrichelten Linie 7A".
  • Wie in Fig. 3 angedeutet bilden die Plasmadetektionsbereiche 39 zusammen einen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 aus. Der Sichtbereich 41 erstreckt sich entlang der Strahlachse 5A im Bereich der Fokuszone 11A.
  • Jedem der Plasmadetektionsbereiche 39 wird eine Messtiefe entlang der Strahlachse 5A zugeordnet. Die Messtiefe entspricht in Fig. 3 z. B. einem Durchmesser der Kreise, die die Plasmadetektionsbereiche 39 verdeutlichen. Für ein Objektiv ist die Messtiefe ein spezifisches Merkmal, das gegeben ist durch optische Parameter wie Fokuslänge und Apertur des Objektivs sowie durch die Anordnung und Ausrichtung des Objektivs (z. B. geometrische Lageparameter des Objektivs bezüglich der Strahlachse 5A - Abstand und Winkel). Beispielsweise können sich die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A jeweils über eine Messtiefe von ca. 5 mm bis ca. 15 mm, insbesondere über eine Messtiefe von ca. 5 mm bis ca. 12 mm. In einigen Ausführungsformen können sich die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A über 1/10 bis 1/4 des Sichtbereichs 41 erstrecken. In Fig. 3 sind die beim multifokalen Konzept versetzt angeordneten Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A beispielhaft in einem Abstand D in der Größenordnung der Messtiefe (hier ca. dem Doppelten des Durchmessers der Plasmadetektionsbereiche 39) beabstandet angeordnet. Alternativ können die Plasmadetektionsbereiche 39 aneinander angrenzen oder sich teilweise (beispielsweise im Bereich von 10 % der Messtiefe) überlappen. Auf diese Weise können die Objektive Plasmalicht aus unterschiedlichen Abschnitten des Sichtbereichs 41 entlang der Strahlachse 5A detektieren.
  • Ferner erkennt man in Fig. 3 ein optionales Schutzfenster 43A, das im Bereich einer optischen Durchgangsöffnung 43 in der Halterungsplatte 23A vorgesehen werden kann, um den Laserstrahl durch die Halterung 23 und an den Objektiven 25A, 25B, 25C vorbei auf die Probe 7 richten zu können.
  • Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften LIBS-Messkopfs 51, der über eine Lichtleitfaser 9A mit einer Laserstrahlquelle verbunden ist. Die Halterung 23 des LIBS-Messkopfs 51 umfasst eine Längsträgerplatte 23B, an der eingangsseitig eine Befestigung für die Lichtleitfaser 9A und die Fokussieroptik 11 (Laserkopf mit Strahlformung) vorgesehen ist. An der Längsträgerplatte 23B ist ferner das optische Spektrometer 13 befestigt sowie die Halterungsplatte 23A für die vier Objektive 25A, 25B, 25C, 25D (allgemein eine n>1-fache Eintrittsoptik) vorgesehen. Die Objektive 25A, 25B, 25C, 25D sind dazu eingerichtet, von Plasmadetektionsbereichen 39, die entlang der Strahlachse 5A versetzt zueinander angeordnet sind, Messanteile von Plasmalicht zu erfassen und über das Lichtleitsystem 27 (beispielsweise ein Faserbündel mit n>1 Eingängen und einem funktionellen Ausgang - "n-auf-1-Faserbündel") dem Spektrometer 13 zur spektralen Analyse zuzuführen. Beispielhaft sind in Fig. 4 zwei Lichtleitfasern 45 des Lichtleitsystems 27 dargestellt, die die Objektive 25B und 25C mit dem gemeinsamen Spektrometer 13 optisch verbinden. Mit dem Lichtleitsystem 27 können die Messanteile im Spektrometer 13 (oder optional vor Einkopplung in das Spektrometer 13) für einen Messvorgang kombiniert werden.
  • Die n-fache Betrachtung des Sichtbereichs mit mehreren (in Fig. 4 vier) Objektiven erlaubt eine deutliche Vergrößerung der Tiefenschärfe, gegeben durch die Aneinanderreihung der Plasmadetektionsbereiche der Objektive. Dadurch wird es möglich, auch in der Oberfläche strukturierte, ungleichmäßige Proben effizient zu analysieren. Ferner findet eine Betrachtung der Probe aus unterschiedlichen Winkeln statt, wodurch Abschattungseffekte reduziert werden können. Die erfassten Messanteile werden an einem gemeinsamen Ausgang des Lichtleitsystems zusammengeführt (Summe aller Beobachtungen) und einer gemeinsamen spektralen Analyse zugeführt.
  • Ein n-auf-1-Faserbündel erlaubt eine Einspeisung mehrerer Objektive in ein Spektrometer, wobei mehrere n-auf-1-Bündel für die Einspeisung in mehrere Spektrometer verwendet werden können.
  • Die beispielhafte Ausgestaltung in der in Fig. 3 gezeigten Detektionseinheit 21 wird anhand der Figuren 4A und 4B weiter verdeutlicht. Fig. 5A zeigt eine Aufsicht auf die Halterungsplatte 23A. Die optische Durchgangsöffnung 43 im Zentrum ermöglicht den Durchtritt des Laserstrahls (Laserstrahlachse 5A). Vier Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D sind azimutal um die Durchgangsöffnung 43 mit variierenden radialen Abständen zur Strahlachse 5A angeordnet. Sie sind azimutal gleich verteilt, sodass sich je zwei Objektivhalterungsöffnungen paarweise gegenüberliegen. In der perspektivischen Ansicht der Fig. 5B sind vier identische Objektive 25A, 25B, 25C, 25D in die Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D eingesetzt. Die Objektive 25A, 25B, 25C, 25D wurden unterschiedlich weit in die Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D eingeführt, sodass je nach radialem Abstand die zugehörigen Plasmadetektionsbereiche 39 nebeneinander in Richtung der Strahlachse angeordnet sind und so den die Tiefenschärfe bewirkenden Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 ausbilden.
  • Eine alternative Ausgestaltung wird in den Figuren 6A und 6B verdeutlicht. In der Aufsicht auf die Halterungsplatte 23A erkennt man vier Objektivhalterungsöffnungen 55A, 55B, 55C, 55D, die symmetrisch im gleichen radialen Abstand zur Durchgangsöffnung 43 und um diese beispielhaft gleich verteilt angeordnet sind. Wie in der perspektivischen Ansicht der Fig. 6B angedeutet ist, wird der Versatz der Plasmadetektionsbereiche 39 in Richtung der Strahlachse 5A durch unterschiedliche Beobachtungswinkel der eingesetzten Objektive 25A, 25B, 25C, 25D bewirkt. Beispielsweise können die Beobachtungswinkel bei einem radialen Abstand von 30 mm im Bereich von 3° bis 15° liegen, sodass sich der Sichtbereich 41 in einem Abstand von ca. 100 mm von der Halterungsplatte 23A ausbildet. Bei unterschiedlichen Beobachtungswinkel (und optional Betrachtungshöhen) können bei einem großvolumigen Plasma die detektierten spektralen Verteilungen variieren. Insbesondere jedoch bei einem kleinvolumigen Plasma, wie es meist für die LIBS erzeugt wird, sind diese Unterschiede in der spektralen Verteilung vernachlässigbar, da im Wesentlichen das gesamte Plasma in einem Plasmadetektionsbereich 39 liegt.
  • Fig. 7 zeigt noch einmal eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Systems 100 gemäß Fig. 1. Zu erkennen ist hier, dass in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Materialteile vorgesehen sind, und zwar Materialteile 120B aus Kunststoff und Materialteile 120A aus Aluminium. In schon vorbeschriebener Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Spektrometersystems 1 eine Aussortierung dahingehend stattfinden, dass die Materialteile 120A von den Materialteilen 120B getrennt werden. Zu diesem Zweck erfolgt mittels der Sortiereinheit 160 im Falle der Erkennung eines Materialteils 120B aus Kunststoff ein Ausschleusen desselben. Die Sortiereinheit 160 verfügt zu diesem Zweck über eine Luftdruckdüse, mittels der ein Kunststoffteil 120B aus dem Strom an Materialteilen ausgeschleust werden kann. Infolge einer solchen Sortierung sammeln sich an den Sammelstellen 170 voneinander getrennt Materialteile 120B aus Kunststoff einerseits und Materialteile 120A aus Aluminium andererseits an. Bezugszeichen
    1 Spektrometersystem 35 Detektionskegel
    3 Plasma 35A Beobachtungsachsen
    3A Plasmalicht 37 Überlappungsbereich
    5 Laserstrahl 39 Plasmadetektionsbereich
    5A Strahlachse 41 Sichtbereich
    7 Probe 43 optische Durchgangsöffnung
    7A Oberfläche 43A Schutzfenster
    7A' strichpunktierte Linie 45 Lichtleitfaser
    7A" gestrichelte Linie 51 LIBS-Messkopfs
    9 Laserstrahlquelle 53A Objektivhalterungsöffnung
    9A Lichtleitfaser 53B Objektivhalterungsöffnung
    11 Fokussieroptik 53C Objektivhalterungsöffnung
    11A Fokuszone 53D Objektivhalterungsöffnung
    13 optisches Spektrometer 55A Objektivhalterungsöffnung
    13A dispersives Element 55B Objektivhalterungsöffnung
    13B Detektor 55C Objektivhalterungsöffnung
    15 Auswerteeinheit 55D Objektivhalterungsöffnung
    17 spektrale Verteilung 57A Objektivhalterungsöffnung
    19 Eintrittsapertur 57B Objektivhalterungsöffnung
    19A Eintrittsspalt 57C Objektivhalterungsöffnung
    21 Detektionseinheit 57D Objektivhalterungsöffnung
    23 Objektivhalterung D Abstand
    23A Halterungsplatte R1,R2 radiale Abstände
    23B Längsträgerplatte α Beobachtungswinkel
    25A Objektiv 100 System
    25B Objektiv 110 Zuführmittel
    25C Objektiv 111 Zuführfläche
    25D Objektiv 120 Materialteil
    27 Lichtleitsystem 120A Aluminiumteil
    29 optischer Eingang 120B Kunststoffteil
    31 optischer Ausgang 130 Rutsche
    33 Messanteil 131 oberer Abschnitt
    132 untere Randkante
    140 Laservorrichtung
    150 Steuervorrichtung
    160 Sortiereinheit
    170 Sammelstelle
    180 LIBS-Modul

Claims (13)

  1. System zum Analysieren und Sortieren eines Materialteils, insbesondere eines Schrottteils aus Aluminium, umfassend:
    - Ein Zuführmittel (110) zum Transportieren des Materialteils (120)
    - eine Sortiereinheit (160), die dazu eingerichtet ist, das Materialteil (120) einer von zwei Fraktionen (F1, F2) zuzuführen,
    - eine Lasereinrichtung (140), die dazu eingerichtet ist, mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche 7A des Materialteils (120) ein Plasma (3) zu erzeugen,
    - ein Spektrometersystem (1), das dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse eines von dem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) durchzuführen und in Entsprechung eines Ergebnisses der durchgeführten Spektralanalyse ein Ausgangssignal zu erzeugen, und
    - eine Steuervorrichtung (150), die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu empfangen und die Sortiereinheit (160) basierend auf dem Ausgangssignal und einem Sortierkriterium zu betreiben,
    - wobei das Spektrometersystem (1) ein Spektrometer (13) und eine mit dem Spektrometer (13) optisch verbundene Detektionseinheit (21) aufweist,
    - wobei die Detektionseinheit (21) ein Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Detektionseinheit (21) ein weiteres Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) aufweist, dem ein weiterer Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem weiteren Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen weiteren Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, wobei die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) in Relation zueinander derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind, dass der Plasmadetektionsbereich (39) und der weitere Plasmadetektionsbereich (39) entlang der Strahlachse (5A) versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich (41) der Detektionseinheit (21) ausbilden.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmadetektionsbereich (39) dazu eingerichtet ist, dass im Falle eines im Plasmadetektionsbereich (39) vorliegenden Plasmas (3) ein Messanteil (33) des Plasmalichts (3A) von dem zugehörigen Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfasst wird.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (21) eine Objektivhalterung (23) aufweist, die eine Mehrzahl von Objektiven (25A, 25B, 25C, 25D) gemeinschaftlich trägt.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadetektionsbereiche (39) entlang der Strahlachse (5A) ineinander übergehenden oder voneinander beabstandet angeordnet sind.
  5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivhalterung (23) eine optische Durchgangsöffnung (43) bereitstellt, durch die hindurch die Strahlachse (5A) verläuft.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivhalterung (23) eine Halterungsplatte (23A) aufweist, die mehrere Objektivhalterungsöffnungen zur jeweiligen Aufnahme eines Objektivs (25A, 25B, 25C, 25D) und die optische Durchgangsöffnung (43) für den Laserstrahl (5) bereitstellt, wobei die Objektivhalterungsöffnungen um die Durchgangsöffnung (43) herum verteilt angeordnet sind.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Detektionskegel (35) entlang einer Beobachtungsachse (35A) erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel α verläuft, wobei der Beobachtungswinkel α zwischen 0 ° und 90 °, vorzugsweise zwischen 3 ° und 60 °, noch mehr bevorzugt zwischen 5 ° und 25 ° beträgt.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometersystem (1) ein Lichtleitsystem (27) aufweist, das die Detektionseinheit (21) mit dem Spektrometer (13) optisch verbindet.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitsystem (27) eine der Anzahl der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) entsprechende Anzahl an optischen Eingängen (29) und einen optischen Ausgang (31) bereitstellt, wobei die optischen Eingänge (29) jeweils zur Aufnahme des mit dem zugehörigen Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteils (33) ausgebildet sind und wobei der optische Ausgang (31) zur Abgabe der mit den Objektiven (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteile (33) ausgebildet ist.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitsystem (27) mehrere Lichtleitfasern (45) aufweist, die jeweils einen optischen Eingang (29) bereitstellen und die zu einem gemeinsamen optischen Ausgang (31) zusammengefasst sind.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (160), das Spektrometersystem (1) und die Steuervorrichtung (150) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und ein LIBS-Modul ausbilden.
  12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführmittel (110) dazu eingerichtet ist, das Materialteil (120) entlang einer Zuführfläche (111) hin zu einem oberen Abschnitt (131) einer Rutsche zu transportieren.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortiereinheit (160) einer dem oberen Abschnitt (131) der Rutsche (130) gegenüberliegenden unteren Randkante (132) der Rutsche (130) zugeordnet ist, wobei die Sortiereinheit (160) dazu eingerichtet ist, das die Rutsche (130) über die untere Randkante (132) der Rutsche (130) verlassende Materialteil (120) einer von zwei Fraktionen (F1, F2) zuzuführen.
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