DE19609916A1 - Preisgünstiger spektroskopischer Sensor für die Erkennung von Kunststoffen - Google Patents
Preisgünstiger spektroskopischer Sensor für die Erkennung von KunststoffenInfo
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Description
Im Rahmen der Wiederverwertung (Recycling) von Kunststoffabfällen ist es erforderlich,
diese nach Farbe und nach der Kunststoffsorte zu trennen. Derzeit werden für die Trennung
nach Stoffsorte vor allem folgende Verfahren in großtechnischen Anlagen eingesetzt:
- a) Identifikation auf der Grundlage der Infrarot-Spektroskopie durch Auswertung der im nahen oder fernen Infrarotbereich aufgenommenen Transmissions- oder Reflexions spektren. Solche Geräte werden derzeit von den Firmen Laser Labor Adlershof, Berlin, Fa. Bruker in Karlsruhe u. a. angeboten. Diese Spektrometer verwenden in der Regel Reflexionsgitter; die Umwandlung des optischen Spektrums in elektrische Signale geschieht mit Hilfe einer Zeile von regelmäßig über dem erfaßten Spektralbereich angeordneten Detektoren, in der Regel InGaAS Zeilensensoren. Es sind sehr aufwendige und teure Geräte in der Preisklasse 50.000 bis 150.000 DM.
- b) Identifikation durch Auswertung der Signale weniger Detektoren, welche mit einem sog. Faktorfilter bedeckt sind. Bei diesen, z. B. von der Fa. Bühler, CH-Uzwil, angebotenen Geräten werden 4 bis 5 Detektoren mit einem sehr speziellen optischen Bewertungsfilter abgedeckt und somit pro Detektor ein optisch gewichtetes Signal gewonnen. Auch diese Geräte sind teure Systeme in der gleichen o.g. Preisklasse, weil die Entwicklung und Herstellung dieser speziellen optischen Filter sehr aufwendig ist.
Die relativ großvolumige Konstruktion dieser bekannten Geräte stellt hohe Anforderungen an
die mechanische Stabilität, welche in der Größenordnung der Wellenlänge sein muß. Die
Folge ist eine teure mechanische und optische Konstruktion. Die in der Regel sehr teuren
Detektorzeilenarrays selbst gestatten ebenfalls keine preisgünstige Lösung.
Für den verbreiteten Einsatz zur Stoffsortenerkennung bei der Rücknahme von Kunststoff
pfandflaschen sowie bei kleineren, insbesondere kommunalen Sortieranlagen besteht aber
ein erhebliches Bedürfnis nach einem preisgünstigen Stofferkennungssensor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe eines miniaturisierten
kompakten Spektrometers auf der Basis der Mikrosystemtechnik ein Transmissions- oder
Reflexionsspektrum des zu erkennenden Kunststoffkörpers im Bereich des nahen Infrarot
gebildet wird, daß in der Bildebene des erzeugten Spektrums lediglich eine kleine Anzahl,
nicht regelmäßig angeordneter Detektoren bei den ausgesuchten Wellenlängenbereichen
angebracht sind, welche zur Erkennung und Identifikation ausreichen.
Fig. 1 zeigt in der Skizze ein Mikrospektrometer 1 wie es z. B. in der sog. LIGA Technik
vom Institut für Mikrosystemtechnik des Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt und
hergestellt wird. Durch die sehr kompakte Bauweise sind die Probleme der mechanischen
Stabilität gelöst; die Serienfertigung in Glas und Kunststoffwerkstoffen ist außerordentlich
günstig.
Das zu analysierende Licht wird über den Lichtleiter 2 eingekoppelt; das durch ein
Reflexionsgitter erzeugte Spektrum wird über ein geordnetes Lichtleiterbündel 3
ausgekoppelt, in der Regel auf einen Zeilensensor. Vorgeschlagen wird auch der Einbau einer
Detektorzeile 4 im Mikrospektrometer selbst.
Erfindungsgemäß werden bei einer typischen, exemplarischen Ausgestaltung des mikrospek
trometrischen Stoffsensors 5 die zu analysierenden optischen Signale über den Licht
leitereingang 6 eingekoppelt. In der Bildebene des Reflexionsgitters werden eine geringe
Anzahl von Detektoren 7 mit einer schlitzförmigen Apertur lediglich an denjenigen
Positionen 8 bis 11 des Austrittsfensters angebracht, deren Wellenlängen für eine robuste
Identifikation und Unterscheidung von Kunststoffsorten ausreichen. Damit werden zwei
wesentliche Vorteile erreicht:
- a) die aufwendige Auskopplung über einen geordneten Lichtleiterbündel entfällt
- b) die Abbildung auf eine aufwendige Detektorzeile, welche den gesamten Spektralbereich erfaßt entfällt. Vielmehr wird lediglich eine kleine Anzahl einzelner Detektorelemente in nicht gleichmäßigem Abstand an den signifikanten, für die automatische Kunst stofferkennung und -unterscheidung ausreichenden Wellenlängenbereichen ange bracht. Da bei der Erkennung von Kunststoffen lediglich eine begrenzte Zahl von Kunststoffen unterschieden und erkannt werden müssen, ist das gesamte Spektrum redundant. Diese Redundanz gestattet es erfindungsgemäß, die Anzahl der gleichzeitig zu messenden Wellenlängebereichen zu reduzieren und damit auch die Anzahl teurer Detektoren zu verringern.
Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, nach Fig. 2 ebenfalls auf die gebräuchliche aufwendige
Einkopplung über Lichtleiter in das Spektrometer zu verzichten und statt dessen das
Spektrometer 1 mit einer eingelassenen Mikrooptik 2 zu versehen, welche den Bereich der
zu identifizierenden , mit einer intensiven Lichtquelle 4 beleuchtete Kunststoffoberfläche
5 z. B. einer zu identifizierenden Flasche auf das Reflexionsgitter 3 abbildet.
Es ist bei der automatischen Sortierung immer gegeben, daß z. B. Hohlkörper, welche aus
verschiedenen Kunststoffsorten bestehen (z. B. PET Körper, PE Verschluß, PS Etikett) den
Sensor passieren. Beobachtet dieser lediglich über einen integrierenden Meßfleck, so sind
diese Hohlkörper nicht zu identifizieren. Erfindungsgemäß werden N Mikrospektrometer
nach Fig. 3 zu einer Sensorzeile 1 gestapelt, so daß ein zeilenförmiger Ausschnitt
bildgebend, d. h. an N Stellen beobachtet werden kann. Damit können Informationen über das
Vorhandensein eines bestimmten Kunststoffes an einem bestimmten Ort erzielt werden. Bei
der in Fig. 3 beispielhaft gezeigten Situation, daß eine Kunststofflasche 2 mit einem Etikett
3 aus einem andersartigen Kunststoff beklebt ist und einen Verschluß 4 aus wiederum
einem anderen Kunststoff besitzt, kann durch die lokale bildgebende Erfassung vieler Stellen
des sich unter der Mikrospektrometeranordnung (hier in Zeichenebene) bewegte Hohlkörper
eine Karte der Verteilung der einzelnen Stoffsorten ermittelt werden und hieraus Sortier
kriterien abgeleitet werden. Bei einer rein integrierenden Aufnahme mit nur einem
Spektrometer hingegen würden sich die Spektren überlagern und in der Regel überhaupt
keine Identifikation erlauben.
Erfindungsgemäß wird die gestapelte Anordnung von Mikrospektrometer ebenfalls vorteilhaft
zur Sortierung von geshredderten Kunststoffen eingesetzt, welche z. B. auf einer Rutsche an
der Sensoranordnung vorbeibewegt werden und über eine Anordnung schneller pneuma
tischer Ejektoren in die einzelnen Fraktionen ausgeblasen werden.
Für die Bestimmung der für die robuste Identifikation signifikanten Wellenlängen sind die
statistischen Verfahren der Diskriminanzanalyse bekannt. Diese Verfahren funktionieren in
der Regel nur dann zufriedenstellend, wenn die zugrunde liegenden Verteilungen wenigsten
ansatzweise Gauß-verteilt sind. Dies ist gerade bei Reflexionsspektren, welche auf einem
multiplikativen Gesetz
Empfangene Intensität = Beleuchtungsintensität mal lokale Reflexion
nicht der Fall. Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung dieser Wellenlängen sowie zur
Bestimmung der optimalen Art der Signalverknüpfung Verfahren der Genetischen
Algorithmen und der Evolutionsstrategieen eingesetzt, welche aus Lernstichproben mit
beliebiger Statistik die zur Erkennung und Unterscheidung wichtigen und ausreichenden
Wellenlängen ermitteln. Mit diesen Methoden die Anzahl der erforderlichen Detektoren von
z. B. N = 255 gleichabständigen Detektoren eines InGaAS Zeilenarrays auf ca. N = 10 nicht
gleichabständigen Detektoren reduziert werden. Dies bedeutet eine drastische Kosten
einsparung. Die Verfahren der Genetischen Algorithmen und ähnlichen
Optimierungsverfahren sind dem Fachmann bekannt.
Claims (8)
1. Verfahren zur optischen Identifikation von Stoffen, insbesondere zur spektro
metrischen Erkennung von Kunststoffsorten bei der Wiederverwertung
dadurch gekennzeichnet daß
mit Hilfe eines miniaturisierten Spektrometers ein Reflexions- und/oder
Transmissionsspektrum der beleuchteten Stoffprobe gewonnen wird, daß im Bildfeld
des erzeugten Spektrums eine kleine Anzahl von nicht gleichabständigen Detektoren an
den Stellen angebracht sind, deren Wellenlängen für eine robuste Erkennung und
Unterscheidung der Stoffsorte ausreichend sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß
diejenigen Wellenlängen, welche zur robusten Identifikation der Stoffsorte ausreichen
sowie die Art der Verknüpfung der von den Detektoren gelieferten Signalen an einer
Reihe von Lernstichproben mit Methoden der Genetischen Algorithmen und der
Evolutionsstrategien bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet,
daß zur Normierung der einzelnen Detektorsignalen im Bildfeld des erzeugten
Spektrums gleichzeitig zur kleinen Anzahl der nicht gleichabständigen Detektoren ein
großflächiger Detektor so angeordnet ist, daß er das vom Spektrometer auf alle
Wellenlängen aufgeteilte Licht integriert und diese integrale Signal zur Normierung
der Signale der einzelnen, an den Stellen signifikanter Wellenlängen abgebrachten
Detektoren verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein geeigneter Ausschnitt der beleuchteten Stoffprobe mit Hilfe einer im
miniaturisierten Spektrometer eingelassenen Abbildungsoptik auf das die spektrale
Zerlegung bewirkende Gitter abgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere spektrometrische Sensoren zur einer bildgebenden Zeile aneinandergereiht
werden und somit gleichzeitig an verschiedenen Stellen des optisch erfaßten Körpers
die Stoffsorte lokal erfaßt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die zeilenförmige Anordnung spektrometrischer Sensoren auf einen Schüttstrom von
zerkleinerten Kunststoffteilen ausgerichtet ist und zur ortsauflösenden Identifikation der
einzelnen Kunststoffstückchen dient wobei mit Hilfe der Identifikationssignale eine
Reihe von Ejektoren zeit- und ortsrichtig so angesteuert werden, daß die Kunststoff
stückchen in Fraktionen gleicher Stoffsorte aussortiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe eines bewegten optischen Elementes die Apertur eines Detektores über
den gesamten Wellenlängenbereich des Spektrum geführt wird und daß die Signale
dieses Detektors nur dann für die Identifikation ausgewertet werden, wenn sie einer
signifikanten Wellenlänge entsprechen.
8. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet daß
mit Hilfe einer Abbildungsoptik das von einer Stoffprobe reflektierte oder in
Transmission modulierte Licht auf ein miniaturisiertes Spektrometer abgbildet wird,
daß in der Bildebene des erzeugten Spektrums eine kleine Anzahl von Detektoren mit
schlitzförmiger Aperturen an den Stellen angebracht sind, wo Wellenlängen entstehen,
welche für die robuste Identifikation der Stoffsorte ausreichen, daß mit Hilfe einer
Recheneinheit aus dem Vergleich der einzelnen Detektorsignale auf die Kunststoffsorte
geschlossen wird.
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