DE19601950C1

DE19601950C1 - Verfahren zur Erkennung von Materialsorten, insbesondere Kunststoffsorten

Info

Publication number: DE19601950C1
Application number: DE19601950A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Ing Kreuchwig; Hartmut Dr Lucht
Original assignee: LLA UMWELTTECHNISCHE ANALYTIK
Current assignee: LLA UMWELTTECHNISCHE ANALYTIK
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2016-01-11
Also published as: JP3239784B2; JPH09297062A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erkennung von Materialsorten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 607 048 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Sorte bei Plastikmaterialien bekannt, bei dem die Proben aus einem bekanntem Material im nahen Infrarot bestrahlt werden und das Absorptions-Spektrum der Proben gemessen wird. Aus diesem Spektrum wird die erste oder zweite Ablei tung gebildet. Diese Ableitung wird über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich an einer Vielzahl von Meßpunkten gebil det, die untereinander den gleichen Abstand aufweisen. An den Meßpunkten wird festgestellt, ob das Spektrum über, unter oder in der Nullinie liegt. Diese Lage wird mit +1, -1 bzw. 0 bewertet. Die durch diese Zahlen gekennzeichnete Lage des Spektrums wird in einer Tabelle, den Meßpunkten zugeordnet, abgespeichert.

Dieser Vorgang wird für andere bekannte Plastikmaterialien der gleichen Kategorie, wie z. B. verschiedene Sorten Po lyäthylen, wiederholt. In gleicher Weise werden diese Schritte für andere bekannte Plastikmaterialien, wie z. B. PVC, wiederholt.

Diese Zahlenwerte bekannter Spektren dienen nun der Identifizierung einer unbekannten Plastiksorte. Hierzu wird das Spektrum der unbekannten Plastiksorte für denselben Wellenlängenbereich gemessen, differenziert und an densel ben Meßpunkten in gleicher Weise wie bei den bekannten Plastiksorten bewertet und die Lage des Spektrums in einer Tabelle den Meßpunkten zugeordnet abgespeichert.

Dann werden alle Daten der Klassifikationstabelle der unbekannten Plastiksorte mit sämtlichen Daten in allen Tabellen der bekannten Plastiksorten für gleiche Meßpunkte verglichen. Danach wird das Verhältnis der Meßpunkte mit übereinstimmenden Werten +1, -1 oder 0 zu der Gesamtzahl der Meßpunkte gebildet. Der bekannten Plastiksorte, die die größte Übereinstimmung dieses Verhältnisses mit der unbe kannten Plastiksorte aufweist, ist dann auch die unbekannte Plastiksorte zuzuordnen.

Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht darin, daß nur die Nulldurchgänge der Spektren bewertet werden.

Weiterhin ist aus der DE 43 40 914 A1 ein Verfahren zur Identifikation von Kunststoffen mittels der Infrarotspektro skopie bekannt, bei dem von der Oberfläche eines zu untersu chenden Kunststoffteils ein Infrarot-Reflexionsspektrum aufgenommen und mit einem Satz von Referenzspektren verglichen wird. Vorzugsweise wird die erste Ableitung des aufgenommenen IR-Spektrums nach der Wellenzahl gebildet und mit den ersten Ableitungen der IR-Spektren von Referenzsub stanzen verglichen.

Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß unter schiedliche Kunststoffsorten durchaus sehr ähnliche Spek tren aufweisen können. Durch Bildung der ersten oder zwei ten Ableitung wird die Selektivität der Kunststofferkennung mit diesen Verfahren nicht erheblich gesteigert, so daß es zu Fehlsortierungen kommt. Mit zunehmender Sortenvielfalt steigt bei diesen Verfahren die Fehlerquote stark an und die Identifikationszeit wird unvertretbar groß. Ein weite rer Nachteil des Verfahrens der DE 43 40 914 A1 besteht darin, daß die Probe ruhig liegen muß und daß die Meßzeit vergleichsweise lang ist, da im mittleren Infrarot zwischen 400 und 4000 cm^-1 gemessen wird.

Weiterhin ist aus der DE 43 12 915 A1 ein Verfahren zur IR-spektroskopischen Trennung von Kunststoffen bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Intensität der diffus reflektier ten Strahlung bei jeder Kunststoffprobe für eine diskrete Zahl von Wellenlängen gleichzeitig gemessen und die gemesse nen Intensitäten werden miteinander verglichen. Mit diesem Verfahren ist zwar allgemein eine gute Trennung möglich, jedoch wird es mit zunehmender Sortenvielfalt unpraktika bel. Weiterhin lassen sich Kunststoffe, bei denen sich das Intensitätsminimum bei derselben Wellenlänge befindet, nicht trennen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Fehlerquote bei der Sortierung von Materialien nach der Sorte, insbesondere in Recyclingprozessen, zu verringern, und die Identifikation der Kunststoffsorte schneller als bisher zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird das entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Bei einem Verfahren zur Erkennung von Materialsorten, insbe sondere von Kunststoffsorten, bei dem die Materialteile unbekannter Sorte mit infrarotem Licht bestrahlt werden, an schließend ein Spektrum gemessen wird und ein Vergleich mit den Spektren bekannter Materialien durchgeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Gradienten des Spek trums und/oder der ersten Ableitung des Spektrums für eine Vielzahl von Wellenlängenabschnitten des Spektrums bestimmt und jeder Gradientenwert in einen von mehreren normierten Wertbereichen eingeordnet wird, daß anschließend die Gra dientenwerte für die Wellenlängenabschnitte des gemessenen Spektrums mit den Gradientenwerten für dieselben Wellenlän genabschnitte vorgegebener, bewerteter Spektren bekannter Materialien verglichen und die Übereinstimmungen und Unter schiede der Gradientenwerte als Gradientenabstände erfaßt werden, wobei die Summen der Gradientenabstände und das Vorliegen des Minimums der Summen der Gradientenabstände zwischen den Spektren eines bekannten und eines unbekannten Materials als Kriterium für die Zuordnung des unbekannten Materials zu der Sorte des bekannten Materials dient.

Es ist zweckmäßig, daß Gradientenabstände unterschiedlicher Größe unterschiedlich gewichtet werden, wobei in einer be vorzugten Ausführungsform große Gradientenabstände stärker gewichtet werden als kleine Gradientenabstände.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch die Beurteilung der Steilheit der Gradienten in aufeinanderfol genden Wellenlängenabschnitten zwischen jeweils zwei Pixeln und durch die unterschiedliche Wichtung der Gradientenab stände in Abhängigkeit vom Abstand der Gradienten geringe Unterschiede der Spektren erkennbar werden. Da bei der Mehrzahl der Spektren vor allem der Verlauf der Peaks und weniger der Verlauf der flachen Abschnitte des Spektrums interessant ist, wird durch die Aufteilung der Peaks in mehrere Wellenlängenabschnitte, die zwischen benachbarten Pixeln liegen, und durch die getrennte Wichtung dieser Abschnitte eine wesentlich bessere Erkennung geringer Unterschiede der Peaks möglich.

In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Wich tung der Wellenlängenabschnitte des Spektrums mittels der Beziehung

2ⁿ,

wobei n der Zahlenwert jedes Gradientenabstandes ist. Die Wichtung kann aber auch mittels anderer nichtlinearer Funktionen erfolgen.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Spektrum mittels seines globalen Minimums und seines globalen Maximums normiert. In diesem Fall kann mit festen Wertebe reichsgrenzen gearbeitet werden.

Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist vorge sehen, daß die Wertebereichsgrenzen mittels des globalen Minimums und des globalen Maximums normiert werden. In diesem Fall können die aus dem Spektrum ermittelten Gradienten direkt den jeweiligen Wertebereichen zugeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Unterteilung der Gradienten des Spektrums in die Wertbe reiche
sehr steil negativ
steil negativ
flach negativ
flach positiv
steil positiv
sehr steil positiv
und jeder Wertbereich wird mit einem Code versehen.

Es ist zweckmäßig, daß für die Festlegung der Wertbereiche als Zahlenwert zunächst das globale Maximum und das globale Minimum des Spektrums ermittelt wird, daß die Differenz aus beiden gebildet wird, daß diese Differenz durch 8 für Wert bereiche mit sehr steilem Gradienten und durch 16 für Wert bereiche mit steilem Gradienten dividiert wird und durch Subtraktion der so ermittelten Werte von Werten negativ ver laufender benachbarter Abschnitte des Spektrums und durch Addition der so ermittelten Werte zu Werten positiv verlau fender Abschnitte des Spektrums der Zahlenwert jedes Wertbe reichs ermittelt wird.

Weiterhin werden in einer bevorzugten Ausführungsform die Vergleichswerte aus den Spektren bekannter Materialwerte ermittelt, indem eine oder mehrere Proben einer Sorte mehrfach gemessen werden, wobei zunächst das globale Mini mum und das globale Maximum des Spektrums zur Normierung ermittelt werden und dann für jeden Gradienten die Zuord nung zu den Wertebereichen in codierter Form in einem Daten bankvektor abgelegt wird, indem bei allen weiteren Messungen der bei der ersten Messung für diese Sorte angelegte Daten bankvektor mit dem neu ermittelten Datenbankvektor vergli chen wird und indem für den Fall, daß Gradienten benachbar te Wertebereichsgrenzen überschreiten, diese mit einem ande ren Code versehen werden, der dann zwei Wertebereiche umfaßt.

Durch diese Art der Ermittlung der Vergleichswerte, bei der dieselbe Probe mehrfach gemessen wird und bei der nach jeder Messung das Spektrum für die gleiche Anzahl Pixel neu bewertet wird, können Fehlbewertungen wegen des Auftretens von Meßfehlern bei der Ermittlung der Vergleichswerte weitestgehend ausgeschlossen werden, indem die mit Meßfeh lern behafteten Spektrenabschnitte nicht als Vergleichswer te verwendet werden.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Diagrammen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein PVC-Spektrum, normiert

Fig. 2 ein PE- und PP-Spektrum, unnormiert

Fig. 3 ein PS- und ABS-Spektrum, normiert

Die Fig. 1 zeigt ein PVC-Spektrum. Um einen Kunststoff als PVC erkennen zu können, sind zunächst Eichspektren zu messen, aus denen signifikante Merkmale abgeleitet werden, die dann als Klassifikationsvektor in einer Datenbank abgelegt werden. Dieser ist für alle zu beurteilenden Kunst stoffe zu ermitteln. Das soll anhand des Kunststoffes PVC erläutert werden.

Bei der Erzeugung des Klassifikationsvektors wird eine Eichprobe aus PVC gemessen. Aus dem Eichspektrum wird in einem ersten Schritt das globale Minimum und das globale Maximum des Spektrums ermittelt. In einem zweiten Schritt werden normierte Steigungen des Spektrums für aufeinander folgende Wellenlängenbereiche gleicher Größe bestimmt. Die Normierung erfolgt auf der Grundlage der Werte des globalen Maximums und des globalen Minimums. Im Ausführungsbeispiel ist das Spektrum auf dem gesamten Wellenlängenbereich in 28 Pixel unterteilt. Zwischen diesen benachbarten Pixeln werden nun die Steigungen ermittelt und jede Steigung wird bewertet. Folgende Wertbereichsgrenzen wurden festgelegt:

Jede Steigung ist in dem entsprechenden Wertbereich der Figur mit dem entsprechenden Code bezeichnet. Es ist erkenn bar, daß das Spektrum zwischen den Pixeln 0-11 zunächst flach negativ verläuft, und deshalb dort in den Wertbereich mit dem Code "c" eingeordnet wird. Zwischen den Pixeln 11 und 12 verläuft das Spektrum steil negativ und wird deshalb in den Wertbereich mit dem Code "-" eingeordnet. In glei cher Weise werden die Anstiege zwischen den nachfolgenden Pixeln bewertet. Die Steigungen des Spektrums werden in codierter Form in einem Datenbankvektor abgelegt, wobei jedem Code ein Zahlenwert zugeordnet ist. Der bei der ersten Messung aus diesen Zahlenwerten ermittelte Datenbank vektor weist den Informationsgehalt 52 auf. Dieser Vektor wird in der Datenbank abgelegt.

Bei der wiederholten Messung derselben Eichprobe oder weiterer Eichproben gleicher Sorte werden die Steigungen zwischen denselben Pixeln mit der ersten Messung vergli chen. Wenn Steigungen die benachbarten Wertebereichsgrenzen überschreiten, werden diese mit einem anderen Code als in der obigen Tabelle versehen. Ist z. B. in der ersten Mes sung der Anstieg zwischen zwei Pixeln mit "+" bewertet worden, und wird bei der zweiten Messung ein abweichender Anstieg zwischen diesen Pixeln gemessen, der einer "T"-Be wertung entspricht, dann wird der Position zwischen diesen Pixeln ein "U" zugewiesen. Damit wird eine feste Gradienten zuordnung weicher gemacht, da die Wertebereichsgrenzen für diesen Anstieg zunehmen. Der Informationsgehalt nimmt ab. Folgender neuer Code ist im Ausführungsbeispiel bei Über schreitung der Wertebereichsgrenze festgelegt:

Wechsel von "t" zu "-" und umgekehrt ist "u"
Wechsel von "-" zu "c" und umgekehrt ist "d"
Wechsel von "c" zu "C" und umgekehrt ist "O"
Wechsel von "C" zu "+" und umgekehrt ist "D"
Wechsel von "+" zu "T" und umgekehrt ist "U"

Anstiege, die innerhalb einer Probe bei Mehrfachmessung mehr als die benachbarten Wertebereichsgrenzen überschreiten, werden in der Datenbank mit "_*" gekennzeich net und sind dadurch von der Auswertung ausgenommen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ergaben sich bei wiederholter Messung keine Abweichungen von der ersten Messung, so daß sich der Vergleichscode

ccccccccccc-ttt++cC+CCCCCc

mit einem Informationsgehalt 52 und der Lage des Minimums beim Pixel 15, wie in der Figur dargestellt, ergibt.

Nachfolgend sind die Vergleichscodes für eine Reihe weiterer Kunststoffe aufgeführt, die in einer Datenbank abgespeichert sind. Diese Codes werden zur Bewertung eines unbekannten Kunststoffes herangezogen.

Es ist erkennbar, daß durch Überschreiten der Wertebereichs grenze bei Mehrfachmessung der Vergleichswerte der Informa tionsgehalt sinkt. Das ist insbesondere bei PVB und POM erkennbar, bei denen die Wertebereichsgrenzen in mehreren Abschnitten überschritten werden und die entsprechenden Steigungen mit "u" bzw. "O" bewertet werden.

Bei einem unbekannten Kunststoff wird nach Messung seines Spektrums zunächst ebenfalls das globale Minimum und das globale Maximum des Spektrums bestimmt und es werden, wie bei den Eichspektren, die normierten Anstiege benachbarter Wellenlängen bestimmt, wobei der Abstand und die Anzahl der Pixel mit denen der Eichspektren übereinstimmen.

Nunmehr werden die Gradientenunterschiede für alle Pixel von gemessenen zu Eichspektren bestimmt. Diese Vorgehenswei se soll anhand der Fig. 2 für PE- und PP-Proben und anhand der Fig. 3 für PS- und ABS-Proben erläutert werden. Die anhand von Eichproben bestimmten charakteristischen Merkmale für vier bekannte Kunststoffe zeigt folgende Tabelle:

Für das in Fig. 2 dargestellte gemessene Spektrum einer PE-Probe, ergibt sich entsprechend der Stärke der Anstiege und entsprechend der Zuordnung zu einem entsprechenden Code (siehe Erläuterung zu Fig. 1) folgende Codierung:

Cccccccccc---tt-cTC-+Ccccc

Nunmehr wird ein Vergleich der Codierung der Probe mit der Codierung der charakteristischen Merkmale in der Datenbank vorgenommen, um die Gradientenunterschiede festzustellen. Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Codierung für PS in der Datenbank und für den Meßwert (PE-Probe) nochmals unter einander aufgeführt und es sind die Abstände, d. h. die Gra dientenunterschiede zwischen Anstiegen des gemessenen Spektrums des unbekannten Kunststoffs und den Anstiegen des Eichspektrums dargestellt:

Die Zahlenwerte der Gradientenunterschiede ergeben sich dabei nach folgendem Schema:

Nach diesem Schema ergeben sich z. B. für

Es ist ersichtlich, daß bei Übereinstimmung der Anstiege, z. B. wenn in beiden Fällen der Code "c" vorliegt, der Gradientenunterschied 0 beträgt. Je größer die Gradientenun terschiede sind, desto größer ist der entsprechend Zahlenwert. Der größte Unterschied besteht zwischen "U" und "t", der mit 9 bewertet wird. Durch Addition dieser Zahlen werte erhält man die Summe der Gradientenabstände.

Der Vergleich auch mit den charakteristischen Merkmalen in der Datenbank für ABS, PP und PE führt dann zu folgender Aufstellung der Gradientenabstände:

Es ist erkennbar, daß gleichartige Kunststoffe entweder keine oder geringe Einzelabstände der Gradienten aufweisen und daß bei diesen die Summe der Einzelabstände klein ist. Durch die Bestimmung des Minimums der Summen der Einzelab stände kann deshalb die unbekannte PE-Probe sicher zugeord net werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Summenminimum 10, d. h. bei der unbekannten Kunststoffsorte handelt es sich um PE.

Für das weitere in Fig. 2 dargestellte Spektrum einer PP-Probe ergeben sich beim Vergleich mit den Vergleichsspek tren folgende Summenwerte:

PS
41
ABS	48
PP	6
PE	28

Da das Summenminimum 6 für PP ermittelt wurde, muß die unbekannte Materialsorte dieser Kunststoffart zugeordnet werden.

Sollten Spektren unterschiedlicher Materialsorten große Ähn lichkeit aufweisen, ist es vorteilhaft, die einzelnen Gra dienten unterschiedlich zu wichten. Das kann z. B. mittels der Wichtungsfunktion

2ⁿ

erfolgen, wobei n der Einzelabstand des Gradienten ist. Dieser Sachverhalt soll am Beispiel der Kunststoffe ABS und PS demonstriert werden.

Als charakteristische Merkmale dienen wieder die im vorigen Ausführungsbeispiel herangezogenen Gradientenvektoren der Kunststoffsorten PS, ABS, PP und PE.

Fig. 3 zeigt das gemessene Spektrum einer Probe aus ABS. Aus dem Spektrum wird der folgende Gradientenvektor abgeleitet:

ccccc--c-ttCC+CC+c-Tc-+CCC

Der Vergleich mit den genannten vier Kunststoffsorten führt dann zu folgender Bewertung der Abstände (Gradientenunter schiede) zwischen den Steigungen des gemessenen Spektrums und den gespeicherten Vergleichswerten dieser vier Kunst stoffsorten:

Es ist ersichtlich, daß die Unterschiede der Summen der Kunststoffe PS und ABS wesentlich geringer sind als bei den Kunststoffen im Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Durch die Wichtung der Gradientenabstände der vorstehenden Tabelle mittels der o.g. Funktion 2ⁿ, wobei n diese Gradientenab stände darstellen, ergeben sich folgende Summen:


Summe
PS	150
ABS	80
PP	292
PE	677

Es ist ersichtlich, daß infolge dieser Wichtung die minimale Summe 80 für ABS wesentlich klarer erkennbar ist, als es in der ungewichteten Gegenüberstellung der Fall ist.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung von Materialsorten, insbe sondere von Kunststoffsorten, bei dem die Materialteile unbekannter Sorte mit infrarotem Licht bestrahlt werden, anschließend ein Spektrum gemessen wird und ein Vergleich mit den Spektren bekannter Materialien durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradienten des Spektrums und/oder der ersten Ableitung des Spektrums für eine Vielzahl von Wellenlängenabschnitten des Spektrums bestimmt und jeder Gradientenwert in einen von mehreren nor mierten Wertebereichen eingeordnet wird, daß an schließend die Gradientenwerte für die Wellenlänge nabschnitte des gemessenen Spektrums mit den Gradi entenwerten für dieselben Wellenlängenabschnitte vorgegebener, bewerteter Spektren bekannter Materia lien verglichen und die Übereinstimmungen und Unter schiede der Gradientenwerte als Gradientenabstände erfaßt werden, wobei die Summen der Gradientenabst ände und das Vorliegen des Minimums der Summen der Gradientenabstände zwischen den Spektren eines be kannten und eines unbekannten Materials als Kriteri um für die Zuordnung des unbekannten Materials zu der Sorte des bekannten Materials dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gradientenabstände unterschiedlicher Größe un terschiedlich gewichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß große Gradientenabstände stärker ge wichtet werden als kleine Gradientenabstände.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wichtung der Abschnitte des Spektrums mittels der Beziehung 2ⁿerfolgt, wobei n der Gradientenabstand des jeweili gen Abschnitts ist, d. h. der Betrag der Differenz der Gradientenwerte eines zu bewertenden und eines bekannten Spektrums.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum mittels seines globalen Minimums und seines globa len Maximums normiert wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertebereichs grenzen mittels des globalen Minimums und des globalen Maximums normiert werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter teilung der Gradienten des Spektrums in die Wertbe reiche
sehr steil negativ
steil negativ
flach negativ
flach positiv
steil positiv
sehr steil positiv
erfolgt und daß jeder Wertbereich mit einem Code versehen wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichswerte aus den Spektren bekannter Materia lien ermittelt werden, indem eine oder mehrere Proben einer Sorte mehrfach gemessen werden, wobei zunächst das globale Minimum und das globale Maxi mum des Spektrums zur Normierung ermittelt werden und dann für jeden Gradienten die Zuordnung zu den Wertebereichen in codierter Form in einem Datenbank vektor abgelegt wird, indem bei allen weiteren Messungen der bei der ersten Messung für diese Sorte angelegte Datenbankvektor mit dem neu ermit telten Datenbankvektor verglichen wird und indem für den Fall, daß Gradienten benachbarte Wertebe reichsgrenzen überschreiten, diese mit einem ande ren Code versehen werden, der dann zwei Wertebe reiche umfaßt.