Prozesskette für hyperspektrale Analysen

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HSI basierte Produktanalyse

Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Karlsruhe, zeigt bei der Control 2018 die vollständige Verarbeitungskette für die Nutzung hyperspektraler Daten, von der Erfassung der Daten bis hin zu ihrer Verwendung bei der Schüttgutsortierung. Gezeigt wird die Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage (Demonstrator), die normalerweise 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 Anlage ist kompakt und mobil, sodass sie auch direkt beim Kunden für Versuche vor Ort eingesetzt werden kann, zumal auch andere, auf den jeweiligen Bedarf zugeschnittene Gerätekonfigurationen möglich sind. Die im Labor bzw. bei den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse lassen sich 1:1 auf industrietaugliche Anlagen übertragen.

Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage
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Miniaturausgabe einer Schüttgutanlage

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

Am Standort Karlsruhe verfügt das Fraunhofer IOSB 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. Ebenso stehen verschiedene Typen industrietauglicher Sortiermaschinen für Großversuche zur Verfügung. Eine zielgerichtete Dateninfrastruktur mit flexiblen Analysetools, einer umfangreichen Datenbank und kundenspezifischen Zugriffsmöglichkeiten runden den Service ab. Zudem werden Sensoren und andere Komponenten herstellerunabhängig geprüft.

Anwendungen

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Materialstrom Kräuter vor der Sortierung

Sortieren von Schüttgütern

Schüttgüter sind Fördergüter in schüttbarer Form, die bei der industriellen Verarbeitung in möglichst reiner Form vorliegen müssen. Dazu werden für die einzelnen Güter unterschiedliche Sortierkriterien angewendet. Beispiele derartiger Prüfaufgaben sind die Sortierung von Kunststoffgranulaten, die Erkennung von Fremdkörpern in Tabak, Tee, Kräutern und Trockengemüse sowie 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 von einer Zeilenkamera aufgenommen. Hinter der Kamerasichtlinie werden die unerwünschten Objekte von einzeln angesteuerten Düsen noch im Flug aus dem Materialstrom ausgeblasen. Je nach Anforderung handelt es sich bei den verwendeten Kameratypen meist um Lösungen mit einem oder wenigen breitbandigen Kanälen, die in unterschiedlichen spektralen Bereichen funktionieren. Immer öfter werden in Zukunft Lösungen zum Einsatz kommen, die mit vielen Kanälen ausgestattete, sogenannte multi- oder hyperspektrale Kameras verwenden, wodurch deutlich bessere Sortierergebnisse erzielt werden können.

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

Infrastruktur mobiler Lebensmittelprüfung
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Infrastruktur mobiler Lebensmittelprüfung

Lebensmittelqualität durch Sortiersysteme FoodControl

Der Verbraucher erwartet, dass angebotene Lebensmittel höchsten Qualitätsmaßstäben entsprechen. Da die Ansprüche an die Produkte ständig steigen, steigen auch die Ansprüche an ihre Prüfung und an die 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.

Neben etablierter Farbkameratechnik kommt dabei immer mehr Sensorik zum Einsatz, die im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich arbeitet. Im ultravioletten und im infraroten Wellenlängenbereich zeigen viele Produkte Unterschiede, die im sichtbaren Wellenlängenbereich nicht erkennbar sind. In der Biochemie werden seit vielen 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 nicht geeignet. Im nahen Infrarot unterscheiden sich Merkmale oft 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 zur Verfügung stehende Technik ist meist teurer als die für sichtbare Wellenlängen, aber hinreichend schnell für Prüfungen in Echtzeit und zeigt im Ergebnis oft verblüffend robuste und unterscheidbare Merkmale. Die Ergebnisse der Beurteilung können direkt im jeweiligen Prozess, zum Beispiel bei der Sortierung, verwendet werden.