EP4279188A1 - System for analyzing and sorting an elementary material - 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
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Classifications
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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.System for analyzing and sorting a material part, in particular a scrap part made of aluminum, comprising: - a feed means (110) for transporting the material part (120), - a sorting unit (160) which is set up to sort the material part (120) one of two To supply fractions (F1, F2), - a laser device (140) which is set up to generate a plasma (3) on a surface 7A of the material part (120) with a laser beam (5) propagating along a beam axis (5A). - a spectrometer system (1) which is set up to carry out a spectral analysis of a plasma light (3A) emitted by the laser-induced plasma (3) and to generate an output signal in accordance with a result of the spectral analysis carried out, and - a control device (150), which is set up to receive the output signal and to operate the sorting unit (160) based on the output signal and the sorting criterion, - the spectrometer system (1) having a spectrometer (13) and a detection unit (21) optically connected to the spectrometer (13). ), - wherein the detection unit (21) has a lens (25A, 25B, 25C, 25D), to which a detection cone (35) is assigned, which has a plasma detection area (39) in an overlap area (37) with the laser beam (5). formed, characterized in that the detection unit (21) has a further objective (25A, 25B, 25C, 25D), to which a further detection cone (35) is assigned, which has a further overlap area (37) with the laser beam (5). further plasma detection area (39), the lenses (25A, 25B, 25C, 25D) being arranged and/or aligned in relation to one another in such a way that the plasma detection area (39) and the further plasma detection area (39) are offset along the beam axis (5A). are arranged and together form a viewing area (41) of the detection unit (21).
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.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.
Ein System der vorbeschriebenen, d. h. gattungsgemäßen Art ist aus der
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.According to the previously known system, material parts to be sorted are fed into a feed means. The feed means can be, for example, oscillating plates that provide a feed surface along which the material parts are moved.
Mittels des Zuführmittels werden die zu analysierenden und sortierenden Materialteile gemäß der
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.During free fall, laser-induced plasma spectroscopy takes place for every piece of material leaving the slide. For this purpose, a laser device is provided which is designed to generate a plasma on a surface of a material part using a laser beam that propagates along a beam axis. Furthermore, 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.
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.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. 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.
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.Typically, 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.
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.Although the system described above has proven itself in everyday practical use, there is a need for improvement. In particular, it has been found that despite a defined fall corridor, parts of material are rejected because their composition cannot be clearly identified. Parts of material are also removed that would not have been removed if they had been clearly identified. This incorrect ejection is due in particular to the fact that material parts fall past the plasma detection area of the lens of the detection unit due to their geometric design despite maintaining the fall corridor. This is particularly the case with spherical or partially spherical material parts.
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.Incorrect sorting disadvantageously leads to reduced sorting efficiency. If necessary, this could be increased further by narrowing the fall corridor. However, this is technically complex and also slows down the sorting speed. Furthermore, it cannot be guaranteed that parts of material to be analyzed do not fall past the plasma detection area, because in particular spherical or semi-spherical material parts are guided in a secure position by both the feed means and the slide, but can then assume an orientation in free fall, which no longer enables reliable detection of the material composition.
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.It is therefore, based on the prior art described above, the object of the invention to further develop a system of the type mentioned at the beginning so that increased sorting efficiency is achieved.
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.To solve this problem, 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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.According to the prior art, the detection area is formed by only one plasma detection area of a lens. Such 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.
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.As a result, 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.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that 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.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that 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.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that the plasma detection areas merge into one another or are arranged at a distance from one another along the beam axis. Alternatively or additionally, 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.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that 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.
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.According to a further feature of the invention it is provided that 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.
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.According to this preferred embodiment, 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.
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°.According to a further feature of the invention, it is provided that 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. Depending on the design of the desired viewing window, different observation angles can be selected for the individual lenses, possibly so that some plasma detection areas are closer to one another than others. However, it is preferred to make the observation angles of the individual lenses approximately the same size, for example with a maximum deviation from one another of less than 3°.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spektrometersystem ein Lichtleitsystem aufweist, das die Detektionseinheit mit dem Spektrometer optisch verbindet.According to a further feature of the invention, it is provided that the spectrometer system has a light guide system that optically connects the detection unit to the spectrometer.
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.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.
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.According to a further feature of the invention, the light guidance system has a plurality of optical inputs. Preferably, 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.
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.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.
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.The advantage of this configuration is that all plasma light measurement values recorded by the lenses for each material part arrive at the spectrometer at the same time. All measured values can therefore also be processed simultaneously. This significantly reduces the required computing power in contrast to a separate analysis of the individual measured values.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that 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.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that the laser device, the spectrometer system and the control device are accommodated in a common housing and form a LIBS module.
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.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.
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.According to a further feature of the invention it is provided that 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. According to this preferred embodiment, 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.
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.According to an alternative embodiment, the feed means can also be designed as a rotating conveyor belt. In this case, the material parts to be analyzed and sorted lie on the conveyor belt and are moved along by it.
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.According to a further feature of the invention, it is provided that 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.
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.According to this preferred embodiment, a piece of material leaves the chute in free fall and is subjected to analysis and sorting in free fall. For this purpose, in particular the laser device and the spectrometer system are arranged in the height direction below the lower edge of the slide.
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.Alternatively, provision can also be made to arrange the laser device and/or the spectrometer system above the slide and/or the feed means. If, for example, 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.
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
- a schematic representation of the system according to the invention;
- Fig. 2
- a schematic representation of the functionality of the LIBS module according to the invention;
- Fig. 3
- in a further schematic representation the functionality of the LIBS module according to the invention;
- Fig. 4
- a schematic representation of the LIBS module according to the invention;
- Figs. 5a and 5b
- in a top view and in a side view a first embodiment of a detection unit;
- Figs. 6a and 6b
- in a top view and in a side view a second embodiment of a detection unit and
- Fig. 7
- in an enlarged schematic representation of the spectrometer system according to the system according to the invention
Fig. 1 .
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.The
Wie die schematische Darstellung nach
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.A
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.When leaving the slide 130, the
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
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
Wie dies im Weiteren noch anhand insbesondere der
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
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.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
Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner ein optisches Spektrometer 13 zur Spektralanalyse des Plasmalichts 3A. Das optische Spektrometer 13 ist in
Im Spektrometer 13 ist ein (spektralabhängiger) Strahleingang für das zu analysierende Plasmalicht durch eine Eintrittsapertur 19, üblicherweise ein Eintrittsspalt 19A, festgelegt.In the
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.The
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.The
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
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
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
Wie in
Jedem der Plasmadetektionsbereiche 39 wird eine Messtiefe entlang der Strahlachse 5A zugeordnet. Die Messtiefe entspricht in
Ferner erkennt man in
Die n-fache Betrachtung des Sichtbereichs mit mehreren (in
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.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.
Die beispielhafte Ausgestaltung in der in
Eine alternative Ausgestaltung wird in den
Claims (13)
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.System for analyzing and sorting a material part, in particular a scrap part made of aluminum, comprising:
in that the detection unit (21) has a further objective (25A, 25B, 25C, 25D), to which a further detection cone (35) is assigned, which has a further plasma detection region (39) in a further overlap region (37) with the laser beam (5). forms, wherein the lenses (25A, 25B, 25C, 25D) are arranged and/or aligned in relation to one another in such a way that the plasma detection area (39) and the further plasma detection area (39) are arranged offset along the beam axis (5A) and together form one Form the viewing area (41) of the detection unit (21).
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US10088425B2 (en) * | 2014-06-23 | 2018-10-02 | Tsi, Incorporated | Rapid material analysis using LIBS spectroscopy |
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