DE19609916A1

DE19609916A1 - Preisgünstiger spektroskopischer Sensor für die Erkennung von Kunststoffen

Info

Publication number: DE19609916A1
Application number: DE19609916A
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-18

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

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.