Prozesskette für hyperspektrale Analysen

Auf der Control 2017 zeigt das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe die vollständige Verarbeitungskette für die Nutzung hyperspektraler Daten, welche von der Erfassung bis hin zur Verwendung der Daten bei der Schüttgutsortierung geht. Dabei wird die Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage (Demonstrator) gezeigt, die in der Regel für Laborversuche verwendet wird. Ausgestattet mit einer hyperspektralen NIR-Zeilenkamera (1200 nm bis 2200 nm) ermöglicht der Aufbau Sortierungen auf Basis der spektralen Reflexionsinformation der zu prüfenden Produkte. Die Kompaktheit und Mobilität der Anlage erlauben außerdem den Einsatz direkt beim Kunden für Versuche. Natürlich sind auch andere, auf den jeweiligen Bedarf zugeschnittene Gerätekonfigurationen möglich. Die Erkenntnisse und Ergebnisse, welche mit dem Aufbau gewonnenen wurden, lassen sich 1:1 auf industrietaugliche Anlagen übertragen.

Ergänzt wird der Schüttgut-Demonstrator durch einen exemplarischen Laboraufbau zur Datenerfassung (Punktsensor NIR; Nutzung für orientierende Messungen) in Verbindung mit der benötigten Software für Auswertungen und Analysen. Der flexible Einsatz der vorhandenen Module und Werkzeuge erlaubt dabei schnelle und orientierende Analysen, wie auch die Entwicklung detaillierter und kundenspezifischer Sortierlösungen.

Das Fraunhofer IOSB verfügt am Standort Karlsruhe über die notwendige Ausstattung, um hyperspektrale Informationen im Bereich von UV bis SWIR (250 nm bis 2500 nm) als Punkt- und Flächeninformation von Untersuchungsobjekten zu erfassen. Zugleich stehen unterschiedliche Typen industrietauglicher Sortiermaschinen für Großversuche zur Verfügung. Eine zielgerichtete Dateninfrastruktur mit flexiblen Analysetools, einer umfassenden Datenbank und kundenspezifischen Zugriffsmöglichkeiten runden den Service ab. Selbstverständlich werden Sensoren und andere Komponenten herstellerunabhängig geprüft.

Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage
© Fraunhofer IOSB

Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage

Anwendungen

Sortieren von Schüttgütern

Schüttgüter sind Fördergüter in schüttbarer Form, welche bei der industriellen Verarbeitung möglichst in reiner Form vorliegen müssen. Dazu werden unterschiedliche Sortierkriterien für die einzelnen Güter angewendet. Beispiele derartiger Prüfaufgaben sind die Sortierung von Kunststoffgranulaten, die Erkennung von Fremdkörpern in Tabak, Tee, Kräutern sowie Trockengemüse und die Sortierung von Mineralien (z.B. Kalzit, Diamanten etc.) oder von Altglasscherben.

Das Schüttgut fliegt dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 m/s von einem Förderband oder einer Rutsche und wird dabei von einer Zeilenkamera aufgenommen. Hinter der Kamerasichtlinie werden die unerwünschten Objekte von einzeln angesteuerten Düsen noch im Fluge aus dem Materialstrom ausgeblasen. Bei den verwendeten Kameratypen handelt es sich meist um Lösungen mit einem oder wenigen breitbandigen Kanälen, je nach Anforderung, die in unterschiedlichen spektralen Bereichen funktionieren. Immer öfter werden zukünftig Lösungen verwendet, die mit vielen Kanälen ausgestattete multi- oder hyperspektrale Kameras verwenden. Diese Technologie ermöglicht deutlich bessere Sortierergebnisse.

Partner des Fraunhofer IOSB bei der industriellen Umsetzung in diesem Bereich sind die Firmen Hauni AG, ROEBER Institut GmbH und Binder + Co AG.

 

Lebensmittelqualität durch Sortiersysteme FoodControl

Die Erwartung des Verbrauchers ist, dass angebotene Lebensmittel höchsten Qualitätsmaßstäben entsprechen. Weil die Ansprüche an die Produkte ständig steigen, steigen auch die Ansprüche an ihre Prüfung und an die dafür oft notwendige Sortierung.
Lebensmittel werden an den unterschiedlichsten Punkten der Prozesskette kontrolliert und sortiert: Saatgut nach der Ernte, Weintrauben bei der Annahme in der Winzergenossenschaft, Kaffee als Roh- und Röstkaffee, getrocknete Pilze vor dem Verpacken usw.

Dabei kommt neben etablierter Farbkameratechnik auch immer mehr Sensorik zum Einsatz, die im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich arbeitet. Im ultravioletten und im infraroten Wellenlängenbereich zeigen viele Produkte Differenzen, die im sichtbaren Wellenlängenbereich nicht erkennbar sind. In der Biochemie werden seit einigen Jahren organische Stoffe im mittleren infraroten Wellenlängenbereich optisch geprüft, um organische Stoffe zu identifizieren und zu unterscheiden. Die dort etablierten Verfahren zeigen sehr differenzierte Ergebnisse, sind jedoch auch zeitaufwendig und daher für eine Qualitätsprüfung in der Produktion meist ungeeignet. Im nahen Infrarot unterscheiden sich Merkmale häufig nicht so differenziert wie im mittleren Infrarot, jedoch bietet dieser Wellenlängenbereich oft die Chance, Merkmale unterschiedlicher Arten für eine Selektion oder Beurteilung zu nutzen. Die Technik die dabei zur Verfügung steht, ist meist teurer als die für sichtbare Wellenlängen, aber hinreichend schnell für Prüfungen in Echtzeit und zeigt im Ergebnis oft erstaunlich robuste und unterscheidbare Merkmale. Die Ergebnisse der Beurteilung können also direkt im jeweiligen Prozess, zum Beispiel bei der Sortierung, verwendet werden.

Anwendungsspektrum bei der Sortierung von Schüttgütern
© Fraunhofer IOSB

Anwendungsspektrum bei der Sortierung von Schüttgütern