Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erkennung von Kontaminationen in einem bewegten Materialstrom sowie eine Anordnung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Bei vielen pneumatisch transportierten. Materialien wie z.B. Roh-Baumwolle, Tabakblätter usw. treten Kontaminationen durch Kunststoffreste von Ver¬ packungsfolie, Veφackungsschnüren aus Polypropylen u. ä auf, welche mit den üblichen optischen Detektionsverfahren oft nicht erkannt werden, da sie ähnliche Helligkeits/Farbeigenschaften haben wie das geförderte GUT Material. So ist es beispielsweise ein bis heute nicht zufriedenstellend gelöstes Problem, helle PE- Folienreste und helle PP-Schnüre in der pneumatisch geförderten Rohbaumwolle zu erkennen. Die italienische Firma Loptex (www.loptex.it) und die Schweizer Firma Jossi Systems (www.jossisystems.com) bieten beide optische Systeme an zur Erkennung und Ausscheidung von Kontaminationen, welche sich optisch von der normalen Baumwolle unterscheiden. Bei der Verpackung von Baumwolle auf dem Feld kommt es häufig zur ungewollten Kontamination mit Folienresten und Kunststoff-Schnuren aus dem eingesetzten Verpackungsmaterial. Häufig haben diese Kontaminationen im sichtbaren Spektralbereich sehr ähnliche Eigenschaften wie die Baumwolle und können damit durch diese Systeme nicht erkannt und aussortiert werden. Sie werden dann ungehindert zerfasert in der Spinnerei in den Baumwollfaden eingesponnen und können mehrere Kilometer von Baumwollgarn verseuchen.

Die Fa. Loptex bietet ein System von Ultraschall-Sensoren an, welches aufgrund der andersartigen Schallreflektion von Kunststoff zu Baumwolle zumin¬ dest bei großen Folien, welche sich darüber hinaus auch noch in einer günstigen Orientierung zur Ultraschallquelle befinden, Kontaminationen erkennen kann. Kleine oder ungünstig zur Ultraschallquelle im Luftstrom vorbeifliegende Teile werden nicht erkannt.

Die Fa. Jossi Systems setzt laut Prospekt neben der Weißlichtbeleuchtung eine ultraviolette Beleuchtung ein, welche zumindest einige der gleichfarbigen Kunststoffe zu einer von der Farbe der Baumwolle abweichenden Fluoreszenz anregt und fremdfarbige und andersfarbig fluoreszierende Teile gemeinsam mit Hilfe von Farbkameras erkennt. Auch dieses System erkennt nur günstig zur Kamera ausgerichtete Folien, Kunststoffreste mit relativ großer Fläche und deutlich von der Baumwollfarbe abgesetzte fluoreszierende Kunststoffe.

Es ist ebenfalls bekannt, durch eine vorzugsweise bildgebende Echtzeit- Spektroskopie Kunststoff-Kontaminationen anhand der von der Baumwolle im Nahen Infrarot abweichenden spektralen Remissionssignatirr zu erkennen (siehe z.B. Jürg Uhlmann, „Fremdstofferkennung in Rohbaumwolle", Mitteilung aus dem Institut für Textilmaschinenbau und Textilindustrie, ETH Zürich 19996 ). Diese Technik ist sehr aufwendig und hängt ebenfalls von einer günstigen Orientierung der Kunststoffkontaminationen in Bezug auf den optischen Detektor ab, damit der Detektor in der sehr kurzen Zeit des Vorbeifluges mit typisch 10 m/sec diese Kontaminationen flächig erkennen kann.

Ähnliche Aufgaben treten bei der Verarbeitung von Holzfasern, Tabakblättern, Jute, organischen Fasern aus Raps u.a. Materialien auf. Bei allen diesen Aufgaben versagen ähnlich wie bei der Baumwolle die optischen Verfahren, insbesondere bei Kunststoff-Kontaminationen, die in einer ungünstigen Raumlage an den Detektoren vorbeifliegen. Es besteht daher ein erhebliches wirtschaftliches und technisches Interesse daran, ein preiswertes und robustes Verfahren zur Erkennung und Aussortierung von optisch nicht oder nur schlecht vom Material¬ strom unterscheidbaren Kontaminationen zu haben, welches unabhängig von der zufälligen Raumlage der Kontaminationen eine sichere Erkennung und Aussor¬ tierung ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreiclht, das zur berüh¬ rungslosen Erkennung von Kontaminationen in einem bewegten Materialstrom den bewegten Materialstrom, der sich aus einem GUT-Materialstrom und den Kontaminationen zusammensetzt, durch eine Sensoranordrxung aus ladungs- empfindlichen Sensoren leitet, welche die elektrische Aufladung in ihrem Sensor¬ feld erfaßt. Durch die Reibungsvorgänge beim Transport werden die im GUT- Materialstrom enthaltenen nichtleitenden Kontaminationen elektrostatisch signifikant höher aufgeladen, als die durch eine zumindest geringe Leitfähigkeit gekennzeichneten, transportierten GUT-Materialien. Die so aufgeladenen Konta- minationen bringen im Durchgang durch die Sensoranordnung ihre Aufladung kurzzeitig in das ladungsempfindliche Sensorfeld ein und dieser kurzzeitige Ladungstransport wird berührungslos durch die ladungsempfindlichen Sensoren orts- und zeitgenau und weitgehend unabhängig von der räumlichen Orientierung der Kontaminationen erkannt. Mit diesen Erkennungssignalen werden schnelle Auswurfsmechaniken angesteuert, welche die erkannten Kontaminationen gezielt aus dem GUT-Materialstrom aussortieren.

Ferner stellt die Erfindung eine Anordnung zur Verfügung mit einem Trans¬ portkanal, durch den sich ein Materialstrom aus GUT-Material mit elektrostatisch nicht oder nur gering aufladbaren Teilchen und elektrostatisch aufgeladenen Kontaminationen bewegt und mit einer Anordnung von ladxingsempfindlichen Sensoren, die ein ladungsempfindliches Sensorfeld quer zur TTransportbewegung des Materialstroms erzeugen, wobei durch die Sensoren an einer Anzahl von diskreten Positionen die Vorbeibewegung elektrostatisch aufgeladener Konta¬ minationen fortlaufend erkannt wird und beim Durchfliegen der Kontaminationen durch die jeweiligen Sensorfelder ein Signal erzeugt wird. Ferner umfaßt die Anordnung einen Ejektor, der durch dieses Signal nach einer elektronischen Aufbereitung zeit- und ortsrichtig so angesteuert wird, daß die Kontaminationen aus dem GUT-Material eliminiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Elektroden der ladungsempfindlichen Sensoren auf das gleiche transparente Glasfenster aufgebracht, welches auch für die optische Beobachtung mit Hilfe von. Kameras oder punktfδrmg arbeitenden optischen Sensoren verwendet wird. Durch die Anbringung in unmittelbarer Nähe der optischen Beobachtung werden sowohl die optisch erfaßten als auch die elektrostatisch erfaßten Kontaminationen praktisch zeitgleich von den jeweiligen Detektoren gemeldet und können daher vereinfacht gemeinsam verarbeitet werden.

In einer weiteren Ausfuhrungsform sind diese Elektroden in Form optisch transparenter dünner Metallschichten auf die zur optischen Beobachtung vorhandene Glasscheibe so aufgedampft, daß genau die gleiche Stelle des Materialstroms elektrostatisch wie optisch abgetastet wird. Diese zeit- "und orts¬ gleiche Abtastung ermöglicht eine gemeinsame vereinfachte Auswurfsteuerung sowie intelligentere Algorithmen durch eine Mustererkennung anhand "von zwei physikalisch unterschiedlichen Signalen (optisch/elektrostatisclh) der Kontaminationen und damit eine bessere Unterscheidung zwischen GUT-Material und Kontamination.

Die detaillierte Ausgestaltung der Elektrodenform wie z.B. das Hinzufügen von sog. Schirmelektroden ist dem Fachmann der elektrostatischen und kapazi¬ tiven Meßtechnik geläufig und braucht daher nicht weiter detailliert zu. werden. Ebenso ist es dem Fachmann dieser Meßtechnik bekannt, die Elektroden als Teil der Kapazität eines hochfrequent schwingenden Schwingkreises oder Oszillators zu gestalten und den Durchflug einer Aufladung anhand der kurzzeitigen Frequenzverstimmung bzw. Oszillator-Frequenzverschiebung zu erkennen.

Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, die elektrostatische Aufladung der nicht leitenden Kontaminationen durch eine separate Hochspannungselelctrode zu erreichen oder zu verstärken.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsformen anlhand der Figuren zu entnehmen. Beispielhaft aber nicht ausschließend soll der Erfindungsgedankes anhand der Erkennung von Kunststoff-Kontamination im Strom von pneumatisch* geförderter Rohbaumwolle in einer Spinnerei erklärt werden. Hierzu verwenden wir die folgenden Abbildungen:

Fig.l zeigt schematisch einen rechteckförmigen Strömungskzanal, durch welchen Baumwollfaserflocken und elektrostatisch aufgeladene Kunststoffkonta¬ minationen mit hoher Geschwindigkeit pneumatisch transportiert werden;

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von diskreten ladungsempfmdlichesn Sensoren, welche den Kanal orts- und zeit-aufgelöst abtasten;

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von ladungsempfindlichen Seαisoren mit periodisch codierten Elektroden zur Gewinnung eines kurzzeitig periodischen Sensorsignals, welches sich gut vom zufälligen Hintergrundrauschen unter¬ scheiden läßt;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Sensorapertur sowie ein zugehöriges Diagramm des Spannungsverlaufs bei einer Elektrodenanordnung mach Fig. 3; und

Fig. 5 zeigt eine Anordnung von kapazitiven Sensoren mit pseudo-zufällig codierten Elektroden, bei welchen die örtliche Auflösung trotz einer zur Steigerung der Empfindlichkeit insgesamt großen ElektrodenflSche nicht verringert wird.

Fig. 1 zeigt einen optisch transparenten Transportkanal 1 wie er im Stand der Technik und im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird. Durch den Transportkanal 1 strömt in einer durch Pfeile 2 angedeuteten Richtung ein Materialstrom bestehend aus GUT-Teilen 3 und Kontaminationen 4. Bei der optischen Sortierung von pneumatisch geförderter Baumwolle wird diese im Flug durch den optisch transparenten Transportkanal 1 mit durchsichtigen Seitenwänden und mit einem rechteckförmigen Querschnitt geführt. Bei den im Stand der Technik bekannten optischen Verfahren zur Detelction von andersfarbigen Kontaminationen wird dieser GUT-Materialstrom aus Baumwollfasern und Faserbüscheln 3 unter einer intensiven Beleuchtung mit Hilfe von Kameras oder punktweise abtastenden optischen Sensoren erfaßt. .Aus der momentanen Änderung der Farbe oder Helligkeit der im Flug erfa&ten Objekte wird auf das Vorhandensein einer Kontamination 4 geschlossen und di ese beispielsweise mit Hilfe einer unmittelbar nach der Sichtstrecke angeordn&ten Leiste von schnellen pneumatischen Ejektoren seitwärts aus dem GUT- Materialstrom ausgeblasen.

Jeder pneumatische Transport und jede Verarbeitung von faserähnliclxen, blattförmigen, kleinkörnigen und ähnlichen nichtleitenden Materialien wird durch eine elektrostatische Aufladung des GUT-Stroms behindert. Deswegen wird in diesen Produktionsstätten für eine Mindest-Restfeuchte des GUT-Materials gesorgt, damit durch die durch die Restfeuchte erzeugte Leitfähigkeit keine elektrostatische Aufladung der Fasern möglich ist und damit ein durch elektro- statische Kräfte unbehinderter Transport ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird der physikalische Effekt ausgenützt, daß Kunststoff- Kontaminationen 4, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, diese Restfeuclite infolge ihrer hydrophoben Eigenschaften nicht aufnehmen und sich daher infolge der Reibungsvorgänge im Luftstrom im Gegensatz zum GUT-Materialstrom 3 der leicht feuchten Baumwolle elektrostatisch aufladen.

Fig. 2 zeigt wiederum den Transportkanal 1, wobei nur die Seitenwan.de schematisch dargestellt sind. Ferner ist eine Anordnung von ladungsempfind¬ lichen Sensorelektroden 5a, 5b angedeutet. Jeweils zwei sich gegenüberliegende Sensorelektroden 5a, 5b sind mit einem Ladungs-/Spannungsumsetzer 6 verbian- den, von denen für eine übersichtlichere Darstellung nur einer gezeigt ist. In Bewegungsrichtung 2 des Materialstroms nach der Anordnung von Sensorelek¬ troden 5a, 5b liegt eine Reihe von schematisch angedeuteten Auswurfmechan-is- men oder Ejektoren 7. Optional kann in Bewegungsrichtung des Materialstroms gesehen vor der Anordnung von Sensorelektroden 5a, 5b eine Hochspannungs- elektrode 8 angebracht sein, die ebenfalls schematisch angedeutet ist. Durch Transportkanal 1 strömt in Richtung der Pfeile 2 ein Materialstrom bestehend aus einem GUT-Materialstrom 3 und Kontaminationen 4. Die GUT- Materialien haben eine gewisse Restfeuchte und sind daher nicht elektrostatisch aufgeladen, die Kontaminationen sind jedoch hydrophob und laden sich elektrostatisch auf. Diese elektrostatische Aufladung erfolgt in der Regel bereits durch die Reibung beim Transport. Die Aufladung kann jedoch auch durch die Hochspannungselektrode 8 verstärkt werden, an der der Materialstrom vorbeiströmt. Diese Ladungen werden erfindungsgemäß als berührungslos erfaßbare Signatur der Kunststoff-Kontarninationen verwendet und mit Hilfe der Anordnung von ladungsempfindlichen Sensorelektroden 5a, 5b erkannt, welche quer zur Strömungsrichtung die momentane elektrische Ladung zwischen jeweils sich gegenüberliegenden Sensorelektroden 5a und 5b messen. Der jeweilige Ladungs-/Spannungs-Umsetzer 6 erzeugt jedesmal dann ein Ausgangssignal 9, wenn sich eine elektrostatische Aufladung in dem von seinen Elektroden definiertem Sensorfeld befindet. Hierbei ist es (im Gegensatz zu optischen Sensoren) gleichgültig, in welcher Raumlage sich die Kontamination bezüglich der Elektroden befindet. Auch wenn die blattförmige Kontamination 4 mit ihrer Schmalseite in Richtung der Elektroden durch das Sensorfeld fliegt, wird die Aufladung erkannt. Bei einem in Reflektion arbeitenden optischen Sensor hingegen wäre bei einer solchen Orientierung die reflektierende Fläche der Kontamination so klein, daß die Kontamination sogar bei hohem optischen Kontrast nicht erkannt würde. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Erkennung von Kunststoff-Kontaminationen unabhängig von ihrer Raumlage beim Durchflug durch das Sensorfeld ist.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Sensorelektroden 5b aus Fig. 2 zur besseren Unterscheidung des von den Kontaminationen hervorgerufenen Spannungssignals 9 vom Hintergrundrauschen. Dargestellt ist zur besseren Übersichtlichkeit nur ein Elektrodenpaar 5a, 5b. Die Sensorelektrode 5b ist in Strömungsrichtung in 7 Unterelektroden aufgeteilt, wobei auch eine andere Anzahl von Unterteilungen möglich ist. Die Unterelektroden bilden also mit der Gegenelektrode 5a ein kurzes Sensorfeld 10. Die Unterelektroden sind abwechselnd an einen positiven und einen negativen Eingang des Ladungs- /Spannungsumsetzers 6 angeschlossen. Damit ergibt sich ein räumlich kurzes periodisches Sensorfeld 10 mit Vorzeichenwechsel, d.h. daß die ladungsernpfϊndlichen Sensorpaare in Strömungsrichtung eine periodischie Sensorapertur S(x) 11 darstellen, wie sie in Fig. 4 im linken Graphen gezeigt ist. Der rechte Graph der Figur 4 zeigt ein periodisches Spannungsausgangssignal θ, das vom Ladungs-/Spannungs-Umsetzer 6 kurzzeitig ausgegeben wird, wenn eine aufgeladene Kontamination das periodische Sensorfeld 10 nach Fig. 3 durchflieget. Dieses periodische Spannungsausgangssignal 9 läßt sich mit Hilfe von Signalfiltern deutlicher von Hintergrundrauschen unterscheiden als das eher tieffrequente Signal einer üblichen, zusammenhängenden Sensorapertur, d.h. einer durchgängigen Elektrode 5b.

Bei großen Abständen der sich gegenüberliegenden Elektroden, wie sie dureJi den für einen ungehinderten Materialstrom erforderlichen Öfmungsquerschnrtt gelegentlich erforderlich ist, ist die Empfindlichkeit eines kapazitiven Sensorrs gering, da die durch die relativ kleinen Elektroden und den großen Elektrodenabstand bewirkte Meßkapazität äußerst klein ist. Solche relativ zur Umgebung offenen, kapazitiven bzw. ladungsempfindlichen Sensoranordnungem sind außerdem anfällig für die Einstreuung von Störsignalen aus der Umwelt. In Strömungsrichtung gesehen längliche Elektroden würden die statische Empfindlichkeit der Meßanordnung vergrößern. Sie führen aber infolge der eine» Ortsfrequenz-Tiefpaß darstellenden Sensorapertur zu einer Unterdrückung de>r hochfrequenten Sensorsignale und. damit zu einer Verringerung der Erkennung von kleinen Kontaminationen.

Dieser Nachteil wird in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform dadurcii beseitigt, daß die Anordnung der Unterelektroden, in die die Sensorelektroden 5 b» unterteilt sind, in Form eines in Strömungsrichtung ausgebildeten Pulskompressionscodes 12 erfolgt. Die einzelnen Unterelektroden sind hierbei alle an den gleichen, hier den positiven Eingang des Ladungs-/Spannungs-Umsetzers 6 angeschlossen und in Strömungsrichtung gesehen unterschiedlich lang. Somit ergibt sich ein Spannungsausgangssignal 9 am Ladungs-/Spannungs-Umsetzer mit einer Reihe aufeinanderfolgender, unterschiedlich langer Spannungspulse, wenn eine aufgeladene Kontamination durchfliegt. Dieser Code kann z.B. durch einen pseudo-zufälligen Code dargestellt sein. Die Erkennung von kleinen Kontaminationen ist dadurch unabhängig von der Gesamt-Codelänge 13 und damit von der gesamten (in Strömungsrichtung gesehenen) Elektrodenlänge. Dadurch kann beispielsweise bei der Verwendung eines pseudo-zufälligen binären Codes mit N= 7 Längeneinheiten ein Sensor mit einer int(7/2) = 3fach größeren Meßkapazität, sprich Empfindlichkeit, erreicht werden, dessen räumliche Auflösung aber der einer Meßkapazität mit einer einzelnen schmalen Elektrode mit einer einzigen Längeneinheit entspricht.

Die beispielhafte Darstellung des Erfindungsgedanken zur Detektion von Kunststoff-Kontaminationen im pneumatisch geförderten Baumwollstrom ist nicht einschränkend zu betrachten. Der Erfindungsgedanke läßt sich sinngemäß auf alle geförderten Schüttgüter und vereinzelten Materialien anwenden, bei denen die zu erkennenden nicht leitfähigen Kontaminationen im Gegensatz zum GUT-Material elektrostatisch aufgeladen sind oder aufgeladen werden können.