DE4317513A1

DE4317513A1 - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Trennung von Körpern und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4317513A1
Application number: DE19934317513
Authority: DE
Inventors: Joachim Poller; Andreas Osterer; Ingo Mikulla; Kurt Lippmann
Original assignee: SELECT INGENIEURGESELLSCHAFT F
Current assignee: SELECT INGENIEURGESELLSCHAFT F
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-12-01

Description

Die Erfindung ist dem technischen Gebiet der Trennung, insbesondere der Sortierung bzw. Selektierung zugehörig und betrifft insofern eine Verfahrensweise, eine Vorrichtung sowie eine spezielle Anwendungsanweisung zum stückweisen Sortieren bzw. Selektieren von insbesondere Erntegut selbst wie auch Erntegut und damit in Gemeinschaft vorkommenden, weiteren Körpern mineralischer Struktur, nach den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1, 2 und 8.

Zur Selektierung bzw. Sortierung von Erntegut, insbesondere Kartoffeln, sind Verfahrensweisen bekannt, die eine opto-elektronische Erkennung und eine mechanische Austragung nutzen, so z. B. DD 2 32 655, wobei die Trennung von Kartoffeln von Kluten und Steinen durch eine Unterscheidung nach der äußeren Form vorgenommen wird. Steine und Kluten mit kartoffelähnlicher Form werden dabei fehlsortiert. Nach DD 2 12 905 sollen mängelbehaftete Kartoffeln von Erdkluten durch die Messung der remittierten Strahlung von sichtbaren infrarotem Licht unterschieden werden. Hierfür ist die Auswertung von bis zu sechs verschiedenen Spektralbereichen erforderlich, die eine hohe Anzahl von opto-elektronischen Wandlern und/oder komplizierte Filtertechnik erforderlich macht. Ein mechanisches Trennverfahren offenbart die DE OS 35 05 043, die die Objekterkennung auf der Basis des spezifischen Gewichtes vornimmt und mit Bürstenwalzen und Gummifingerband Steine und Kluten von Kartoffeln trennt.

Als nachteilige Wirkungen sind hierbei die hohe mechanische Beanspruchung der Kartoffel, die geringe Sortiergenauigkeit und Probleme bei der Anpassung des mechanischen Systems an die unterschiedlichen Bodenbedingungen zu erkennen. Die Schrift EP 0 500 490 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung der Größe eines Körpers, insbesondere einer Kartoffel, in allen drei Dimensionen aus einem bewegten Teilestrom heraus unter Zuhilfenahme eines durch einen Spiegel entsprechend abgelenkten Lichtstrahles der Sortiereinrichtung. Eine Feststellung stofflicher Unterschiede des Körpers ist dabei nicht möglich, aber auch nicht beabsichtigt. Die Schrift EP 0 247 016 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sortieren eines Produktenstromes, wobei breitbandiges Licht eingesetzt wird. Das von den Einzelstücken des Produktenstromes reflektierte Licht wird gefiltert und in zwei Wellenlängenbereiche oberhalb und unterhalb von 1 µm eingeteilt. Durch die Vergleiche der Signale beider Wellenlängenbereiche wird entschieden, ob es sich um ein organisches oder anorganisches Objekt handelt. Die optische Erfassung der gesamten Breite des zugeführten Produktenstromes wird durch einen rotierenden Spiegel realisiert. Dieser reflektiert das von einer Lichtquelle emittierte Licht auf die Objekte und das von den Objekten oder vom Hintergrund reflektierte Licht auf eine opto-elektronische Einrichtung. Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, daß die Intensität der Lichtstrahlung von der jeweiligen Lage der Objekte auf dem Transportband abhängig ist, da der Weg den der einzige Lichtstrahl Zurücklegen muß, jeweils unterschiedlich groß ist. Durch die Anordnung des Austragungs- bzw. Separierorgans, die Klappe, treffen die Kartoffeln senkrecht auf diesem auf, wodurch eine zu hohe mechanische Beanspruchung des Erntegutes eintritt und damit dessen Haltbarkeit wesentlich eingeschränkt wird oder gar Verletzungen hervorgerufen werden. Bei der Anordnung der Klappe gemäß Fig. 2 sind, wie auch die Praxis an dieser Sortiermaschine gezeigt hat, Verklemmungen der auszusortierenden Kartoffeln zwischen der Klappe und dem Band möglich.

Es sind weiterhin Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mit der Photogrammetrie arbeiten, d. h. die mittels Stereo-Bildaufnahmetechnik in Verbindung mit EDV-Auswertungen die Lage und Gestalt von Objekten im Raum feststellen. Diese Technik ist sehr aufwendig an Aufnahmetechnik und EDV-Hard- und Software, somit auch nicht unter den rauhen Bedingungen auf dem Felde einsetzbar und nur mit erheblichem Zeitaufwand einsetzbar und beträchtlich störanfällig.

Bekannte Sortierverfahren nach Helligkeit und Farbe haben die nachteiligen Wirkungen gemeinsam, die darin bestehen, daß z. B. bei Kartoffeln aus dunklen, eventuell moorigen Böden und hellen Steinen ständig Fehlsortierungen auftreten.

Abschließend sollte nur noch grundsätzlich hervorgehoben werden, daß auch noch Sortierverfahren, die Röntgenstrahlung zur Anwendung bringen, allgemein bekannt sind, deren Nachteile schon allein wegen der schädlichen Wirkungen der Röntgenstrahlung auf Mensch und Umwelt und der dann damit verbundenen hohen Sicherheitsaufwendungen nicht diskutiert werden.

Anordnungen, die über eine bestimmte räumliche Ausdehnung eine absolut homogene Feldverteilung der analysierenden Strahlung realisieren sind bisher nicht bekannt geworden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung in einer Einheit, die nach stofflich-pflanzlichen Merkmalen und nach Größenmerkmalen gleichzeitig unterscheidet, ist bisher nicht bekannt geworden. Es sind z.Z. dafür immer noch zwei Sortieranlagen, verbunden mit der damit wesentlich höheren Belastung für das Erntegut, erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensweise, einschließlich einer geeigneten Vorrichtung zu schaffen, die unter teilweiser Nutzung bekannter Prinzipien den apparativen Aufwand zur Objekterkennung verringert, die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Selektion erhöht, die Beanspruchung des Erntegutes, insbesondere der Kartoffel, bei der Trennung von Steinen und Kluten verringert und den apparativen Aufwand der Gesamtsortieranlage bei Erhöhung der Anlagensicherheit vermindert, eine Selektion nach stofflichen und gegebenenfalls auch nach Größenmerkmalen, diese wiederum weiter differenzierend, in einer einzigen Anlage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Verfahren erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1, für eine gattungsgemäße Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 2 bis 7 und für eine gattungsgemäße Anwendungsanweisung durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 8 und 9 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Selektion von insbesondere Erntegut, wie z. B. Kartoffeln, bei dem die Einzelstücke des Teilestromes während des Passierens eines homogenen Strahlungsfeldes mit Wärmestrahlung bestimmter Charakteristika beaufschlagt werden, wodurch es ermöglicht wird, Stoffunterscheidungen zu treffen. Im weiteren bezieht sich die Erfindung darauf, daß die Anordnung der Strahler ein homogenes Strahlungsfeld über eine bestimmte räumliche Ausdehnung erzeugt, sowie daß durch eine bisher nicht gekannte Anordnung des Separierorganes eine besondere Schonung des Erntegutes erreicht wird.

Es wurde gefunden, daß durch die Anwendung von monochromatischer Wärmestrahlung eines sehr engen Wellenlängenbereiches mit linearer Polarisation und geringer Streubreite des Polarisationswinkels eine signifikant unterscheidungskräftige Reflexionsstrahlung und eine signifikante Drehung des Polarisationswinkels beim Auftreffen auf pflanzliche Körper einerseits und auf mineralische Körper andererseits entsteht, was damit erklärt wird, daß die unterschiedlichen Dichten der Körper auch unterschiedliche optische Brechzahlen aufweisen und somit sowohl unterschiedliche Intensität als auch unterschiedliche Polarisationswinkel des reflektorischen Strahlungsanteiles bewirken.

Insbesondere sind nachfolgende vorteilhafte Wirkungen der Erfindungsmerkmale beachtlich. Die Verknüpfung von Intensität und Polarisationswinkel der reflektierten Wärmestrahlungsanteile läßt eine Merkmalsmenge zur Unterscheidung von organischen, insbesondere pflanzlichen von mineralischen Objekten herstellen. Auch wird die Merkmalsmenge durch das erreichte homogene Strahlungsfeld im Beobachtungsabschnitt nicht mehr, so wie bei anderen bekannten Verfahren, von der Entfernung der Strahlungsquelle zum Meßobjekt beeinflußt oder anderweitig verfälscht. Der exponentiell abnehmende Abstand der Anordnung der Elementarstrahlerlinien bewirkt das vorgenannte homogene Strahlungsfeld im Beobachtungsfeld mit all seinen Vorteilen. Somit ist zukünftig nur noch ein Wellenlängenbereich zur eindeutigen Identifikation notwendig, wodurch der apparative Aufwand mit seiner letztlich doch immer in einem bestimmten Maß vorhandenen Störanfälligkeit wesentlich verringert wird. Zusätzlich zur Unterscheidung der stofflichen Beschaffenheit läßt dieses Verfahren mit dieser Vorrichtung auch eine Selektierung nach Größenmerkmalen des Erntegutes zu, wobei auch noch eine Kaskadierung nach verschiedenen Größen ermöglicht werden kann.

Die Vorteile von Verfahrens-, Vorrichtungs- und Anwendungsmerkmalen ergeben sich in ihrer Summenwirkung derart, daß eine sehr dichte Aufeinanderfolge der Meßobjekte ermöglicht und daß durch das Auftreffen der Einzelstücke des Teilestromes, insbesondere empfindliches Erntegut, in einem spitzen Winkel zur Längsachse der Klappe auf diese, bis hin zur gleitenden Bewegung an der Klappe der Selektiervorrichtung, die mechanischen Belastungen des Erntegutes minimiert werden. Durch die Verfahrensweise und Anordnung sowie Anwendung von Wärmestrahlung und der Erkennung ihrer Reflexionsergebnisse ist es möglich, daß die Umsteuerung der Klappe nur dann wirksam wird, wenn die Stoffart und/oder die Größe der erfaßten und erkannten Objekte des Teilestromes dies verlangt, damit wird die mechanische Beanspruchung der bewegten Teile und die Energieaufnahme der Anlage verringert.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Gesamtansicht der Sortieranlage,

Fig. 2 kombinierte Wärmestrahlungssende- und -empfangseinrichtung mit Strahlenanordnung im x-y-z-Achsenkreuz.

Über die Sortiergutzuführung 1 gelangt das Stückgut 3 auf das Förderband 2. Hier wird das Stückgut 3 vereinzelt und auf eine definierte Geschwindigkeit gebracht. Am Ende des Förderbandes 2 bewegt sich das Stückgut 3 im freien Fall an der kombinierten Wärmestrahlungssende- und -empfangseinrichtung 5, 6 vorbei. Die Wärmestrahlungssendeeinrichtung 5 ist aus einer Vielzahl von einzelnen Elementarstrahlern 4 zusammengesetzt. Die Anordnung der Elementarstrahler 4 erfolgt in Zeilen und Spalten, hierbei in 12 Zeilen und 20 Spalten, in der Art, daß die Spaltenabstände gleich sind, hingegen die Zeilenabstände mit zunehmender Entfernung von der optischen Achse, hierbei die x-Achse, der Wärmestrahlungsempfangseinrichtung 6 exponentiell abnehmen. Die, vorzugsweise zwei, Wärmestrahlungssendeeinrichtungen 5 sind symmetrisch zur optischen Achse, hierbei die x-Achse, der Wärmestrahlunsempfangseinrichtung 6 angeordnet und schließen einen Winkel α von 150° ein. Unmittelbar an den Wärmestrahlungssendeeinrichtungen 5 befinden sich im Strahlengang 11 die Polarisatoren 10. Sie bewirken, daß auf das Stückgut 3 linear polarisierte Wärmestrahlung trifft. Die von den Stückgutteilen 3 reflektierten Strahlungsanteile werden von der Wärmestrahlungsempfangseinrichtung 6, die einen Polarisationsanalysator 12 enthält, wieder aufgenommen und in Verbindung mit einer nicht dargestellten, bekannten elektronischen Auswerteeinheit analysiert.

Unterhalb des Abwurfbereiches der Stückgutteile 3 am Förderband ist eine mechanische Klappe 7, die pneumatisch betätigt wird, derart angeordnet, daß sie gegen die Transportrichtung des Teilestromes gerichtet ist. Entsprechend des Analyseergebnisses der elektronischen Auswerteeinheit erfolgt das Umsteuern der Klappe 7 in einer zeitlichen Zuordnung derart, daß der Stellungswechsel der Klappe 7 in der Lücke zwischen den jeweils abfallenden Objekten vollzogen wird und somit eine Trennung der Stückgutteile 3 in einen Abführstrom für Steine und Kluten 8 und für Kartoffeln 9 erfolgt.

Bezugszeichenliste

1 Sortiergutzuführung
2 Förderband
3 Stückgut, Stückgutteile, Einzelstücke
4 Elementarstrahler
5 Wärmestrahlungssendeeinrichtung
6 Wärmestrahlungsempfangseinrichtung
7 Klappe
8 Abführstrom Steine/Kluten
9 Abführstrom Kartoffeln
10 Polarisator
11 Strahlengang
12 Polarisationsanalysator

Claims

1. Verfahren zur selektiven Trennung von Körpern, bei dem das zu sortieren de Stückgut durch eine Sortiergutzuführung in einem Teilestrom zusammen gefaßt auf ein Förderband aufgegeben ist, mittels einer Strahlung in einem Beobachtungsbereich beaufschlagt und die reflektierte Strahlung in geeigneter Weise ausgewertet wird, sodann bestimmte Anteile aus dem Teilestrom selektiert werden, gekennzeichnet dadurch,
daß der aus den Stückgütern (3) bestehende Teilestrom, nachdem er auf einem Förderband (2) über eine bestimmte Wegstrecke befördert und danach abgeworfen wird, in einem festgelegten Meßbereich innerhalb eines Abschnittes der parabelförmigen Wurfbahn mit einer Wärmestrahlungssende einrichtung (5) in mindestens zwei Koordinatenachsen beaufschlagt wird, daß durch eine optisch-geometrische und/oder elektrische Verkopplung einer Wärmestrahlungsempfangseinrichtung (6) und eines Polarisationsanalysators (12) die vom Stückgut (3) reflektierten Strahlungsanteile so bearbeitet werden, daß die Ausgangssignale der Wärmestrahlungsempfangseinrichtung (6) und des Polarisationsanalysators (12) zu einer Funktion des Produktes von Intensität und Polarisationswinkel der vom Stückgut (3) reflektierten Strahlungsanteile geformt werden,
daß die Funktion dieses Produktes von Intensität und Polarisationswinkel als Maß für die stoffliche Dichte des abgetasteten Einzelstückes (3) im Teilestrom, somit zur Unterscheidung pflanzlicher Gewebestrukturen von mineralischen Stoffen, insbesondere Kartoffeln einerseits und Steinen und Kluten andererseits, ausgenutzt und damit eine Information zur Aussonde rung des im Moment erfaßten Stückgutteiles (3) gebildet wird,
daß die gleichen reflektierten Strahlungsanteile gleichfalls als Maß für die Größe der abgetasteten Einzelstücke (3) verwendet werden und damit gleichfalls eine Information zur Aussonderung des im Moment erfaßten Einzelstückes (3) gebildet wird,
daß mittels der im Augenblick gebildeten Information über die Struktur des gerade erfaßten Einzelstückes (3) und/oder dessen Größe ein Befehl an den Selektiermechanismus der Vorrichtung, insbesondere der Klappe (7), so zeitbeeinflußt gegeben wird, daß der Stellungswechsel der Klappe (7) in der Lücke zwischen den jeweils abfallenden Objekten vollzogen wird,
daß im Bedarfsfall eine Wiederholung dieses vorgenannten Selektierschrit tes bei Vorhandensein weiterer Klappen (7) vorgesehen ist, wodurch eine kaskadenförmige Sortierung nach Größen des Erntegutes vorgenommen wird.

2. Vorrichtung zur selektiven Trennung von Körpern, bei der das zu sortieren de Stückgut durch eine Sortiergutzuführung in einem Teilestrom zusammen gefaßt auf ein Förderband aufgegeben ist, mittels einer Strahlung in einem Beobachtungsbereich beaufschlagt und die reflektierte Strahlung in geeigneter Weise ausgewertet wird, sodann bestimmte Anteile aus dem Teilestrom selektiert werden, gekennzeichnet dadurch,
daß eine vorzugsweise kombinierte Wärmestrahlungssende- und -empfangsein richtung (5, 6) mit einem Polarisator (10) und einem Polarisationsanaly sator (12) mit ihrer optischen Achse senkrecht zur Abwurfparabel des Teilestromes nach einem Förderband (2) angeordnet ist,
daß die Wärmestrahlungssendeeinrichtung (5) der kombinierten Wärmestrah lungssende- und -empfangseinrichtung (5, 6) mit dem Polarisator (10) so eingeordnet ist, daß die Schnittpunkte aller Strahlungsachsen der als Elementarstrahler (4) fungierenden Wärmestrahlungsquellen jeweils zweier, die optische Achse, d. h. die x-Achse, der Wärmestrahlungsempfangseinrich tung (6) mit dem Winkel α symmetrisch einschließenden Wärmestrahlungs quellen, einen längs der optischen Achse der Wärmestrahlungsempfangsein richtung (6) homogenen Feldstärkeverlauf ergeben und
daß eine Selektiereinrichtung als Klappe (7) in der parabelförmigen Wurfbahn des Stückgutes (3) eingeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Winkel α 120° bis 180°, vorzugsweise 150°, betragen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Elementarstrahler (4) linienförmig angeordnet sind und daß die Linienabstände mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse, d. h. der x-Achse exponentiell abnehmen, somit auch die Abstände ihrer Strahlungs achsen abnehmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmestrahlungssendeeinrichtung (5) aus einer Vielzahl von Elementarstrahlern (4) und vorzugsweise aus zwei Teilen besteht, die beid seitig und symmetrisch zur Wärmestrahlungsempfangseinrichtung (6) angeord net sind und daß diese beiden Teile, dabei die x-Achse in ihre Mitte nehmend, in einem Winkeln, der durch die x-Achse halbiert wird, aufge stellt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß unterhalb des abschüttenden Endes des Förderbandes (2) in den Teile strom eine an einem Drehpunkt gelagerte und nach oben und damit gegen die Fließrichtung des Teilestromes gerichtete pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch zu betätigende mechanische Klappe (7) so eingeordnet ist, daß die beiden Sortierendlagen der Klappe (7) die von den Massemittelpunkten der Stückgüter (3) beschriebene Flugparabel symmetrisch einschließen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß im Bedarfsfall unterhalb der 1. Klappe (7) eine oder mehrere weitere Klappen angeordnet sind.

8. Verfahren zur selektiven Trennung von Körpern, bei dem das zu sortieren de Stückgut durch eine Sortiergutzuführung in einem Teilestrom zusammen gefaßt auf ein Förderband aufgegeben ist, mittels einer Strahlung in einem Beobachtungsbereich beaufschlagt und die reflektierte Strahlung in geeigneter Weise ausgewertet wird, sodann bestimmte Anteile aus dem Teilestrom selektiert werden, gekennzeichnet dadurch, daß monochromatische Wärmestrahlung der Wellenlänge von 800 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 880 nm, mit insbesondere einer Strahlungsbandbreite 5% der Wellenlänge des Strahlungsmaximums des Bandes angewendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß Strahlung mit linearer Polarisation und einer Streubreite des Polarisationswinkels der Strahlung 5° angewendet wird.