DE RECYCLAGE

L'invention se rapporte au domaine d'identification et de tri automatique de matériaux à base de bois, notamment de bois de recyclage.

Par bois de recyclage, on entend tous les produits à base de bois dans l'industrie comme des palettes, des caisses et des emballages en bois non peints et non traités, ainsi que du bois propre sans imprégnation de peinture et vernis. Cette première catégorie est classée comme bois de classe A. D'autres produits tels que les branches, les plaquettes de bois, les souches, les bois d'étalages et les troncs, les meubles à base de particules de bois tels que les mélaminés (bureau, table, armoire), les charpentes, les portes sans verre avec gonds et poignée,... sont classés comme bois de classe B. Il existe aussi du bois de déchèterie comme des lits, tables de chevet, lampadaires, portes, fenêtres, volets, ainsi que des déchets de chantiers.

A l'heure actuelle, le processus de tri concerne essentiellement les tris des matériaux, en particulier les métaux, des objets en vrac, des papiers imprimés ou des cartons,....

Un problème est de valoriser des déchets de bois, en provenance de la forêt et des filières environnement, de les trier et de les transformer sous forme d'un combustible biomasse. A ce jour les procédés de traitement des déchets sont réalisés manuellement.

Du fait des prochaines évolutions réglementaires, qui accentueront la demande en énergies renouvelables et imposeront progressivement de plus fortes contraintes dans les procédés de recyclage des déchets et, notamment, des déchets de bois, la mise en place d'un procédé de traitement des déchets de bois en particulier de bois de recyclage, ainsi que l'élaboration d'un système d'automatisation du traitement, s'avère nécessaire.

Le document WO 2008/1 10017 porte sur un système et une méthode pour surveiller des caractéristiques de produits en bois. Lesdites caractéristiques du bois et de matériaux similaires, telles que l'orientation moyenne non tassée des fibres dans des matériaux fibreux composites, la teneur en humidité, la densité, l'orientation microfibrillaire, l'espèce du bois et sa résistance, peuvent être évaluées sur la base de mesures faites avec des signaux électromagnétiques térahertz(THZ).

Le document EP 1533045 porte sur un procédé et un ensemble pour séparer des produits en bois et des produits en papier dans un flux continu de déchets solides. Cet ensemble utilise des lampes émettant dans une plage de longueurs d'ondes entre l'infrarouge et l'ultra-violet qui coopèrent avec une caméra CCD ou NIR de détection du rayonnement et d'identification de matériaux par spectrographie.

La demande internationale WO 2009/075580 a trait à un procédé et un système pour mesurer et identifier un ou plusieurs objets tels que des cartons/papiers. Le procédé consiste à analyser la lumière réfléchie, dispersée et/ou transmise à partir d'un faisceau laser à travers le matériau ; puis à déterminer le type de matériau.

Le brevet européen EP 1483062 porte sur un système d'identification et/ou de tri d'objets comprenant un dispositif d'avancement pour faire avancer les objets ; un dispositif émetteur de rayonnements pour émettre des rayonnements qui sont modifiés par la matière qui avance, un détecteur servant à détecter les rayonnements modifiés ; et un analyseur servant à analyser les rayonnements modifiés. Ce système comprend un analyseur spectral qui sert à détecter les rayonnements modifiés en une pluralité de bandes de longueur d'onde étroite dans le spectre visible ou invisible de façon à déterminer la couleur et/ou la composition des objets.

La demande de brevet US 20100185319 concerne un dispositif et un procédé pour séparer des objets métalliques, des déchets ménagers, des petits morceaux de verre ou de tout autre matériau en vrac à l'aide d'un dispositif de soufflage munis de buses de soufflage disposées sur une section de chute disposée en aval d'une bande transporteuse. Ledit dispositif est basé sur un système d'émission- réception des rayons X associé à des buses soufflantes. Le tout est géré par un ordinateur. Cependant, les systèmes et les procédés mentionnés ci-dessus ne sont pas optimisés pour traiter des déchets de bois de recyclage et déterminer de manière objective leurs propriétés chimiques.

L'invention vise à remédier à au moins un des inconvénients de l'état de la technique en proposant un procédé d'identification et de tri de matériaux à base de bois, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :

amenée d'une pluralité d'échantillons de bois de recyclage, exposition de chacun desdits échantillons à a moins une source laser d'émission d'un rayonnement monochromatique afin d'ablater chaque échantillon et de générer, pour ledit échantillon, des raies d'émission dont les longueurs d'onde correspondent à celles d'éléments chimiques présents dans l'échantillon,

obtention, à partir des raies d'émission provenant de chaque échantillon, d'informations spectrales relatives à au moins certaines des raies d'émission des éléments chimiques présents dans l'échantillon,

comparaison, avec une ou plusieurs signatures de référence préalablement obtenues, des informations spectrales ainsi obtenues ou de grandeurs physiques issues desdites informations spectrales, tri des échantillons en fonction du résultat obtenu lors de l'étape de comparaison.

On notera qu'un échantillon de bois est considéré comme une pièce de bois de forme et de dimensions quelconques et que l'un ou l'autre de ces termes peut être utilisée alternativement.

Le procédé utilise la technologie d'analyse spectrale dite LIBS (acronyme signifiant en terminologie anglo-saxonne « Laser Induced breakdown Spectroscopy ») qui prévoit de générer un plasma en focalisant un faisceau laser (rayonnement monochromatique) sur un échantillon de matière et de décomposer le rayonnement composé des raies d'émission issues du plasma.

Cette technologie s'avère particulièrement adaptée au bois de recyclage à trier. Elle est fiable, rapide et précise. Les informations spectrales obtenues (par exemple en sortie du ou des détecteurs d'un spectromètre) peuvent revêtir la forme d'un spectre continu ou de plusieurs parties de spectres discontinues, qui peuvent être réduites chacune à une seule longueur d'onde.

A partir de ces informations spectrales une ou plusieurs grandeurs physiques peuvent être obtenues, telles que l'intensité (par exemple, exprimée en nombre de « coups » ou de photons détectés) ou l'énergie d'une ou de plusieurs raies d'émission caractéristiques d'un élément chimique et qui ont été détectées dans l'échantillon analysé.

On peut également obtenir comme grandeur physique la teneur ou concentration d'un élément chimique. Cette grandeur est généralement déterminée grâce à des courbes d'étalonnage préalablement obtenues et qui relient, pour chaque élément chimique susceptible d'être identifié dans les échantillons de bois, l'intensité de la raie ou des raies d'émission caractéristiques de l'élément à la concentration ou teneur de cet élément qui est proportionnelle à l'intensité.

L'étape de comparaison du procédé permet d'identifier, d'une part, les échantillons de bois de recyclage qui sont considérés comme recyclables car ils comportent des éléments chimiques prédéterminés dont la teneur est autorisée et, d'autre part, les échantillons dont au moins une teneur d'un des éléments prédéterminés dépasse le seuil autorisé (échantillons rejetés).

La ou les signatures de référence forment une « carte de criblage » qui fixe les seuils d'acceptabilité pour tous les éléments chimiques (liste prédéterminée) que l'on cherche à identifier dans les échantillons à analyser et à trier.

Lorsque l'un des éléments identifiés dans un échantillon a une teneur (détectée) supérieure au seuil prédéterminé, l'échantillon est trié de manière à être rejeté. Selon une caractéristique possible, l'étape de comparaison prévoit de comparer, avec un ensemble de valeurs seuil, l'une des grandeurs physiques suivantes : intensités ou énergies desdites au moins certaines des raies d'émission des éléments chimiques présents dans chaque échantillon, teneurs des éléments chimiques présents dans chaque échantillon et qui sont issus desdites au moins certaines des raies d'émission desdits éléments chimiques.

En comparant les intensités des raies d'émission des éléments présents dans chaque échantillon avec des valeurs d'intensité seuil on détermine facilement et rapidement les échantillons à accepter pour le recyclage et à rejeter.

En effet, l'intensité est directement issue de chaque signal de raie d'émission détecté par un détecteur d'un spectromètre et ne nécessite donc pas un traitement de données complexe.

La comparaison des teneurs ou concentrations des éléments avec des valeurs de teneur ou de concentration seuil nécessite généralement d'utiliser des courbes d'étalonnage préalablement obtenues et qui font correspondre une teneur ou concentration à une intensité pour un élément donné.

On notera qu'il est envisageable de comparer l'ensemble d'un spectre continu de mesures ou de parties de spectre discontinues à une ou plusieurs signatures de référence qui définissent un ensemble de valeurs seuils.

Cette ou ces signatures de référence peuvent se présenter sous la forme d'un ensemble de valeurs seuils ou sous la forme d'un spectre de référence intégrant l'ensemble de valeurs seuil.

Selon une caractéristique possible, le procédé comporte une étape préalable d'étalonnage permettant d'obtenir, à partir d'une pluralité d'échantillons de référence de bois de recyclage qui comprennent une pluralité d'éléments chimiques dont la teneur d'au moins un élément chimique varie d'un échantillon à l'autre, un ensemble de couples de valeurs d'étalonnage pour chaque élément, chaque couple de valeurs d'un élément reliant l'intensité de la ou des raies d'émission dudit élément à sa teneur.

On peut disposer ainsi de courbes d'étalonnage (intensité en fonction de la concentration) qui permettent d'utiliser la concentration lors du traitement de données (ex : par un microprocesseur d'un ordinateur) effectué à partir des informations spectrales obtenues et de réaliser le tri des échantillons à partir des concentrations.

Selon une caractéristique possible, le procédé comporte une étape de détermination de la teneur des éléments chimiques présents dans chaque échantillon à partir des informations spectrales obtenues des raies d'émission provenant dudit échantillon et des couples de valeurs d'étalonnage.

La composition chimique des échantillons en ce qui concerne les éléments chimiques détectés peut ainsi être déterminée en plus de la fonction de tri assurée par le procédé.

Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique émis a une longueur d'onde qui est susceptible d'être comprise entre 266 nm et 1064 nm.

Un large choix de longueurs d'onde est possible pour la source laser en vue d'effectuer le tri d'échantillons en bois de recyclage au moyen de la technologie LIBS.

Selon une autre caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse émise à une cadence qui est comprise entre 1 et 1000 Hz.

Un large choix de cadences ou fréquences de tir permet d'ajuster le nombre de tirs (impulsions) au nombre d'échantillons et/ou à leur vitesse de déplacement sur un dispositif d'avancement (ex : convoyeur).

Selon une autre caractéristique possible, l'impulsion lumineuse est plus particulièrement émise à une cadence qui est comprise entre 100 et 1000 Hz.

En sélectionnant une cadence de tir élevée (100, 200 Hz...) il est ainsi possible d'adapter le procédé de tri à un nombre élevé d'échantillons à trier et/ou à une vitesse de déplacement élevée pour améliorer le rendement du processus industriel de tri.

En choisissant de n'utiliser que des informations spectrales discontinues, voire réduites à une longueur d'onde (au lieu d'utiliser un spectre continu), on limite le volume de données à traiter.

Ceci permet de compenser l'utilisation d'une cadence de tir élevée qui tend à occuper une partie significative des ressources calculatoires du dispositif de traitement de données (microprocesseur).

Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse qui a une durée comprise entre 1 et 100 nanosecondes. Le choix d'une telle durée est adapté au procédé de tri de bois de recyclage.

Selon une autre caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse qui possède une énergie comprise entre 1 et 800 milli-joules.

Le choix d'une telle énergie est adapté au procédé de tri et permet de s'adapter à différentes profondeurs de pénétration de l'impulsion (faisceau laser) dans l'échantillon.

Selon une autre caractéristique possible, le procédé comporte une étape de détermination du volume de chaque échantillon.

En connaissant ainsi le volume de chaque échantillon et la teneur des éléments chimiques détectés et présents dans l'échantillon (ainsi que la densité du bois), il est aisé de déterminer la masse de chaque élément dans l'échantillon. Il est donc envisageable de suivre l'évolution des masses d'éléments chimiques (ex : métaux) détectés au cours du déroulement du procédé de tri. On peut par exemple réaliser le cumul des masses ou volumes d'éléments parmi les échantillons triés qui ont été acceptés pour le recyclage et, éventuellement, parmi ceux rejetés.

Il est également envisageable d'estimer la teneur en concentration moyenne d'un ou de plusieurs éléments chimiques d'échantillons triés acceptés et/ou rejetés. La connaissance de la masse et éventuellement d'autres paramètres relatifs à des éléments chimiques peut s'avérer très utile dans un processus de recyclage de bois.

Selon une caractéristique possible, la détermination du volume est effectuée par reconstruction volumique à partir de mesures optiques en trois dimensions de l'échantillon.

En pratique, cette détermination/évaluation est effectuée de façon simple, au moyen d'au moins une caméra 3D qui, généralement, est disposée en amont de la ou des sources laser par rapport au sens de déplacement des échantillons.

Selon une caractéristique possible, le procédé comporte une étape de détermination de la masse des éléments chimiques présents dans chaque échantillon à partir de leur teneur déterminée et du volume de l'échantillon. Selon une caractéristique possible, le procédé comporte une étape de détermination des coordonnées géométriques (X, Y, Z) de chaque échantillon par mesure(s) optique(s).

Cette étape peut également être réalisée à l'aide d'une caméra 3D.

Cette étape permet de déterminer la position d'un échantillon sur un dispositif d'avancement (ex : convoyeur) des échantillons.

Selon une caractéristique possible, le procédé comporte une étape d'ajustement de la position, sur l'échantillon, du rayonnement monochromatique émis par ladite au moins une source laser en fonction d'au moins certaines (Z) des coordonnées géométriques de l'échantillon.

Connaissant les coordonnées géométriques de chaque échantillon, et donc sa position dans l'espace, il est possible de fournir ces informations spatiales à la ou aux source(s) laser ou à un dispositif de contrôle de celle(s)-ci.

Ces informations spatiales peuvent être utilisées pour ajuster la position du rayonnement chromatique (impulsion lumineuse ou faisceau laser) sur l'échantillon. Il est ainsi possible, par exemple, de positionner (focaliser) le rayonnement sur une zone donnée de l'échantillon.

Une profondeur donnée (position en Z) peut ainsi être choisie pour positionner le rayonnement par exemple pour tenir compte de la présence d'un revêtement (ex : vernis) sur l'échantillon.

Selon une caractéristique possible, la pluralité d'échantillons est exposée au rayonnement monochromatique émis par ladite au moins une source laser sans traitement préalable desdits échantillons.

Le procédé de tri est ainsi apte à trier tout type de pièce ou d'échantillon en bois de recyclage quelles que soient sa forme et ses dimensions. L'utilisation d'une reconstruction volumique 3D (à distance) de l'échantillon est en outre avantageuse pour estimer le volume d'une pièce aux formes non régulières.

Selon une caractéristique possible, les informations spectrales sont susceptibles d'être obtenues sur une gamme de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge. L'utilisation d'une large gamme de détection spectrale permet de détecter des raies d'émission caractéristiques de certains éléments chimiques présents dans les échantillons et qui ne sont pas uniquement dans le spectre visible.

Selon une caractéristique possible, spectrales sont obtenues pour des longueurs d'onde séparées de façon à obtenir des informations spectrales discontinues.

L'obtention de signaux monochromatiques comme informations spectrales permet de simplifier le traitement de données du procédé (notamment dans l'étape de comparaison) en utilisant un volume réduit de données. Les ressources calculatoires (microprocesseur...) sont de ce fait moins utilisées et peuvent éventuellement être d'une taille adaptée à traiter un volume de données plus raisonnable que s'il s'agissait de traiter toutes les données d'un spectre continu.

L'invention a également pour objet un système d'identification et de tri de matériaux à base de bois, caractérisé en ce qu'il comprend :

- des moyens d'amenée d'une pluralité d'échantillons de bois de recyclage,

au moins une source laser d'émission d'un rayonnement monochromatique qui est apte à ablater chaque échantillon en vue de la génération de raies d'émission dont les longueurs d'onde correspondent à celles d'éléments chimiques présents dans ledit échantillon,

des moyens d'obtention, à partir des raies d'émission provenant de chaque échantillon, d'informations spectrales relatives à au moins certaines des raies d'émission des éléments chimiques présents dans l'échantillon,

des moyens de comparaison, avec une ou plusieurs signatures de référence préalablement obtenues, des informations spectrales ainsi obtenues ou de grandeurs physiques issues desdites informations spectrales,

- un dispositif de tri des échantillons en fonction du résultat de la comparaison effectuée par les moyens de comparaison. Les avantages et caractéristiques propres au procédé brièvement exposé ci-dessus s'appliquent également au système précité et ne seront pas répétés.

Selon une caractéristique possible, la ou les signatures de référence préalablement obtenues définissent un ensemble de valeurs seuil qui sont représentatives chacune d'un seuil d'acceptabilité de la teneur d'un élément chimique qui est susceptible d'être présent dans un échantillon de bois de recyclage.

Selon une caractéristique possible, les moyens de comparaison prévoient de comparer, avec un ensemble de valeurs seuil, l'une des grandeurs physiques suivantes : intensités ou énergies desdites au moins certaines des raies d'émission des éléments chimiques présents dans chaque échantillon, teneurs des éléments chimiques présents dans chaque échantillon et qui sont issues desdites au moins certaines des raies d'émission desdits éléments chimiques.

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens d'étalonnage permettant d'obtenir, à partir d'une pluralité d'échantillons de référence de bois de recyclage qui comprennent une pluralité d'éléments chimiques dont la teneur d'au moins un élément chimique varie d'un échantillon à l'autre, un ensemble de couples de valeurs d'étalonnage pour chaque élément, chaque couple de valeurs d'un élément reliant l'intensité de la ou des raies d'émission dudit élément à sa teneur.

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens de détermination de la teneur des éléments chimiques présents dans chaque échantillon à partir des informations spectrales obtenues des raies d'émission provenant dudit échantillon et des couples de valeurs d'étalonnage.

Selon une caractéristique possible, les moyens d'obtention des informations spectrales comprennent, plus particulièrement :

- des moyens de sélection d'une pluralité de longueurs d'onde et/ou de plages de longueurs d'onde à partir des raies d'émission générées,

- des moyens de détection de la pluralité de longueurs d'onde et/ou de plages de longueurs d'onde sélectionnées.

Selon une caractéristique possible, les moyens d'obtention des informations spectrales comprennent un spectromètre. Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique émis a une longueur d'onde qui est susceptible d'être comprise entre 266 nm et 1064 nm.

Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse émise à une cadence qui est comprise entre 1 et 1000 Hz.

Selon une caractéristique possible, l'impulsion lumineuse est plus particulièrement émise à une cadence qui est comprise entre 100 et 1000 Hz.

Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse qui a une durée comprise entre 1 et 100 nanosecondes.

Selon une caractéristique possible, le rayonnement monochromatique prend la forme d'une impulsion lumineuse qui possède une énergie comprise entre 1 et 800 milli-joules.

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens de détermination du volume de chaque échantillon.

Selon une caractéristique possible, la détermination du volume est effectuée par reconstruction volumique à partir de mesures optiques en trois dimensions de l'échantillon.

Selon une caractéristique possible, les moyens de détermination du volume de chaque échantillon comprennent une caméra 3D.

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens de détermination de la masse des éléments chimiques présents dans chaque échantillon à partir de leur teneur déterminée et du volume de l'échantillon.

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens de détermination des coordonnées géométriques (X, Y, Z) de chaque échantillon par mesure(s) optique(s).

Selon une caractéristique possible, le système comporte des moyens d'ajustement de la position, sur l'échantillon, du rayonnement monochromatique émis par ladite au moins une source laser en fonction d'au moins certaines (Z) des coordonnées géométriques de l'échantillon. Selon une caractéristique possible, les moyens de détermination des coordonnées géométriques de chaque échantillon comprennent une caméra 3D.

Selon une caractéristique possible, le dispositif de tri est apte à diriger les échantillons de la pluralité d'échantillons différemment en fonction du résultat de la comparaison.

Selon une caractéristique possible, les moyens d'amenée d'une pluralité d'échantillons comprennent un dispositif qui est apte à déplacer les échantillons dans une direction d'avancement

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, sur lesquelles :

- la figure 1 montre un schéma de principe d'une technologie LIBS utilisée dans un procédé d'identification et de tri des échantillons de bois selon un mode de réalisation ;

- la figure 2 montre un schéma de principe du système d'identification et de tri des matériaux bois ;

- la figure 3 montre le spectre des échantillons de bois recouverts d'une peinture blanche ;

- la figure 4 illustre le spectre des échantillons de bois recouverts de vernis transparent ;

- la figure 5 illustre le spectre des échantillons de bois recouverts de vernis bleu ;

- les figures 6A et 6B illustrent le principe d'application d'un filtre moyen et d'un filtre d'érosion ;

- la figure 7 illustre le calcul de la distance du Chi2 entre un spectre central et deux autres spectres ;

- la figure 8 montre un tableau de teneur des composants observés dans une biomasse naturelle ainsi que leurs seuils de détection.

- la figure 9 illustre un autre exemple de système d'identification et de tri de matériaux en bois. Le procédé de tri de matières, pièces ou échantillons en bois de recyclage selon un mode de réalisation de l'invention fait appel à une technologie dite LIBS mentionnée plus haut.

Cette technologie utilise le principe de l'analyse des émissions atomiques issues d'un plasma produit par un laser et est illustré sur la figure 1 . Selon ce principe, on focalise sur un échantillon/pièce 1 une impulsion lumineuse délivrée par un laser 2. Cette impulsion a une durée typique de quelques nanosecondes (1 à 100 ns) pour une énergie de l'ordre de quelques milli-joules (1 à 800 mJ), par exemple égale à 500 mJ.

L'impulsion lumineuse est un rayonnement monochromatique dont la longueur d'onde est comprise entre 266 et 1064 nm et est par exemple choisie en fonction des types de bois et des conditions de mise en œuvre du procédé.

L'impulsion lumineuse est émise à une cadence ou fréquence comprise entre 1 et 1000 Hz par exemple, à une cadence élevée comprise entre 100 et 1000 Hz.

L'utilisation d'une cadence élevée permet d'adapter le procédé au tri d'un plus grand nombre de pièces ou d'échantillons et/ou d'un même nombre de pièces mais qui défilent plus vite devant la source laser.

En focalisant le faisceau laser (impulsion lumineuse) à l'aide d'au moins une lentille 3 sur l'échantillon/pièce 1 , la densité surfacique d'énergie à la surface dudit échantillon devient suffisante pour dépasser son seuil d'ablation. Les échantillons sont donc localement chauffés puis vaporisés par le rayonnement laser, ce qui conduit à la formation d'un micro-plasma.

L'expansion du plasma débute alors que l'impulsion n'a pas encore disparu. Ainsi, la fin de l'impulsion permet de vaporiser les particules éjectées lors du processus d'ablation, mais aussi d'exciter optiquement les espèces atomiques et ioniques contenues dans le plasma. Les ions et atomes qui se désexcitent sont à l'origine de l'émission d'une lumière caractérisée par un spectre de raies, chaque raie correspondant à une transition entre deux niveaux quantiques d'énergie. Un dispositif optique, une lentille de collecte ou collectrice 4, collecte la lumière émise qui est analysée à l'aide d'un spectromètre 5 relié à la lentille 4 par une ou plusieurs fibres optiques 6. Le spectromètre 5 comprend des moyens de sélection de longueurs d'onde afin de rejeter les longueurs d'onde non utiles telles que celle du laser par exemple. Ces moyens de sélection ou de séparation de longueurs d'onde jouent le rôle d'un polychromateur. Les longueurs d'onde ou plages de longueurs d'onde ainsi sélectionnées (ou filtrées) sont ensuite détectées par des moyens de détection ou détecteurs tels que des photomultiplicateurs. Ces détecteurs sont sélectionnés en fonction des éléments chimiques à détecter et fournissent des informations spectrales. Le spectre détecté par les détecteurs couvre par exemple la bande 200 - 800 nm, soit de l'UV au proche infrarouge.

Chaque élément chimique est donc associé à une raie ou un spectre de raies caractéristique. L'analyse des mesures (informations spectrales) permet alors d'identifier les éléments internes du matériau à trier. La synchronisation entre la génération d'une impulsion lumineuse par la source 2, l'acquisition des signaux (informations spectrales...) par le spectromètre 5, l'analyse/traitement des informations spectrales et des données est réalisée par un système informatique tel qu'un ordinateur 7 (figure 1 ).

Cette technique d'analyse présente certains nombres d'avantages, en particulier, la rapidité et la simplicité d'obtenir un spectre continu ou discontinu, la possibilité de faire une analyse multi-élémentaire rapide, 2 à 5 secondes, sans aucune préparation des échantillons ou pièces à analyser (facilité et rapidité de mise en œuvre du procédé), une sensibilité à une grande variété d'éléments, une mesure à distance en fonction de l'optique du laser. De plus, la profondeur analysée est de quelques centaines de micromètres.

Pour exploiter certaines données recueillies/mesurées, le système est étalonné à l'aide d'échantillons de référence en bois de recyclage pour lesquels la concentration des éléments chimiques est connue. Des tests sont réalisés sur des échantillons fournis. Les analyses sont faites à l'aide de la technologie LIBS décrites ci-dessus sur des parties d'échantillons colorés, d'échantillons avec un vernis ainsi que sur des parties d'échantillons avec colles. Comme l'analyse porte sur une multitude de variétés de matériaux de bois de recyclage avec des compositions différentes, le spectre obtenu est complexe et extrêmement riche en informations. La technique d'analyse décrite ci-dessus permet d'obtenir, grâce au spectromètre 5, des informations spectrales (spectre de raie(s)) et des valeurs d'intensités de raie(s) (nombre de photons détectés par le détecteur) pour l'ensemble des éléments chimiques (liste prédéterminée d'éléments à identifier) de chaque échantillon.

Un traitement informatique de ces données, corrélé avec les valeurs connues des teneurs ou concentrations des éléments chimiques pour chaque échantillon, permet, grâce à un grand nombre de tests, d'établir des courbes d'étalonnage du système.

Ces courbes sont obtenues à partir d'une pluralité de couples de valeurs d'intensité et de concentration pour chaque élément chimique.

L'intensité est proportionnelle à la concentration de l'élément. Ainsi, ces courbes ou ces couples de valeurs sont utiles pour déterminer la teneur ou concentration d'un nombre prédéterminé d'éléments chimiques dans chaque pièce ou échantillon en bois de recyclage à partir d'une intensité obtenue par analyse spectrale.

Les figures 3, 4 et 5 présentent des exemples des différents spectres obtenus avec différents types d'échantillons.

La figure 3, fournit un exemple de spectre d'un échantillon de bois recouvert d'une peinture blanche, dans cet exemple, les conditions d'acquisition du spectre sont les suivantes :

Energie : 6 mJ,

Diamètre du spot : 50 μιτι

Temps d'exposition de 2 s,

Les éléments détectés sont Ti (forte concentration), Al, Ca, Na et Mg.

La figure 4 illustre un autre exemple de spectre d'un échantillon de bois recouvert avec du vernis transparent. Dans cet exemple, les conditions d'acquisition du spectre sont les suivantes :

Energie : 6 mJ.

Diamètre du spot : 50 μιτι.

Temps d'exposition : 2 s. Les éléments détectés sur le vernis sont : Ca, Na, K, Mg, Si (faible concentration) tandis que, les éléments détectés sur le bois brut sont Ca, Na, K.

La figure 5 montre encore un autre exemple de spectre d'un échantillon de bois recouvert avec du vernis bleu avec les conditions d'acquisition des exemples précédents. Les éléments détectés sur le vernis bleu sont : Ti, Ba, Ca, K, Na (faible concentration), Mg (faible concentration), tandis que les éléments détectés sur le bois brut sont : Fe, Na, K, Ba (faible concentration).

Ces spectres (visualisés par exemple sur l'écran de l'ordinateur 7 de la figure 1 ) obtenus par le spectromètre (spectres continus ou parties de spectres discontinues) correspondent à la répartition des intensités en fonction de la longueur d'onde. L'axe des ordonnées montre la répartition des intensités (en nombre de photons détectés) et l'abscisse montre les différentes longueurs d'onde en nm. Un composant chimique s'identifie donc par la présence d'un ou plusieurs pics pour un ensemble de longueurs d'ondes précis, la concentration d'un composant chimique étant proportionnelle à l'intensité.

De tels spectres sont traités de façon automatique comme expliqué ci- après.

Le traitement automatique d'un spectre se passe en deux étapes : une phase de prétraitement afin de supprimer le bruit du à l'acquisition et une phase de traitement pour détecter la présence et éventuellement la concentration des éléments chimiques inclus dans l'échantillon concerné.

La phase de prétraitement consiste à extraire du spectre au niveau des détecteurs, une ou plusieurs signatures élémentaires (caractéristiques de chaque élément chimique). Pour cela des algorithmes de lissage sont mis en œuvre, il s'agit d'utiliser différents filtres, filtres moyen, filtre médian, filtre érosion, filtre dilatation, sur des voisinages de taille variable (3, 5 ou 7). Le voisinage représente une fenêtre centrée sur la valeur à étudier. La valeur en un point du spectre est alors modifiée en fonction des valeurs des points du spectre du voisinage considéré. Cette modification dépend du type de filtre utilisé. Il est aussi possible de combiner plusieurs filtres. En effet, en utilisant différents filtres on obtient différentes valeurs du voisinage. Pour un filtre moyen, on calcule la valeur moyenne du voisinage. i+ n/2 x i = 1/n 1E2 x j, avec n taille du voisinage

j = i n/2

Avec un filtre Médian, on calcule la valeur médiane du voisinage.

i+ n/2

x i = Médian (x j), avec n taille du voisinage

j = i n/2

Avec un filtre érosion, on calcule la valeur minimale du voisinage.

i+ n/2

x i = Min (x j), avec n taille du voisinage

j = i n/2 Avec un filtre dilatation, on calcule la valeur maximale du voisinage.

i+ n/2

x i = Max (x j), avec n taille du voisinage

j = i n/2

La figure 6A, montre le spectre obtenu après l'application d'un filtre moyen sur un voisinage de taille 3. La figure 6B, montre le spectre obtenu après l'application d'un filtre érosion sur un voisinage de taille 5.

On notera que lorsque les spectres se réduisent à une raie (mono longueur d'onde) le traitement du bruit n'est pas nécessaire.

La phase de traitement des spectres se déroule en deux étapes. Tout d'abord, la détection et l'identification des éléments suffisamment significatifs et ensuite le calcul de leur concentration. Pour ce type de traitement, il existe plusieurs techniques dont les techniques les plus performantes sont, la corrélation, l'analyse discriminante, ainsi que la méthode des plus proches voisins. Ces méthodes reposent sur le principe de calcul de similarité entre un spectre ou partie de spectre mesuré et un spectre ou partie de spectre de référence, par rapport à un critère qui, en général est défini par une distance. Les distances classiquement utilisées sont la distance de Minkowski, la distance de Kolmogorov-Smirnov, la distance de Kullback-Leilber ou bien la distance du Chi2. La figure 7 illustre le calcul de la distance du Chi2 entre un spectre central, et deux autres spectres. On remarque que le spectre similaire au spectre central a une distance plus faible.

Les seuils de détection des éléments chimiques polluants à détecter sont intégrés dans l'algorithme de traitement des données et, notamment, dans l'étape de comparaison du procédé entre les informations spectrales obtenues (ou des grandeurs physiques qui en sont issues : intensités, énergies...) et une ou plusieurs signatures de référence. Une signature de référence peut être considérée comme un spectre de référence avec des valeurs seuil d'élément(s) chimique(s) à détecter. Le tableau de la figure 8 illustre la teneur des composants observés dans une biomasse naturelle ainsi que leurs seuils de détection. Si la teneur observée dépasse le seuil critique alors l'élément est détecté, de même si la somme des teneurs est supérieure à une valeur fixée.

Une teneur dépassant un seuil critique (valeur seuil) conduit au rejet de l'échantillon considéré selon le procédé de tri.

La concentration des éléments chimiques peut ensuite être déterminée grâce aux courbes d'étalonnage préalablement obtenues à partir des intensités des rayonnements recueillis par les détecteurs.

Les logiciels intégrant les algorithmes mathématiques pour le traitement et l'identification de caractéristiques chimiques sont optimisés afin que ce traitement soit plus rapide.

Selon un autre exemple de réalisation du procédé de tri selon l'invention : - on réalise une carte de criblage (signature(s) de référence) qui fixe un ensemble de valeurs seuils d'éléments chimiques susceptibles d'être présents dans des échantillons de bois de recyclage (cette carte définie par exemple par des valeurs d'intensités maximales acceptables de rayonnement est mémorisée dans le système (ordinateur)) ; on notera que ces valeurs sont par exemple obtenues à partir des valeurs de concentrations telles que celles du tableau de la figure 8 grâce aux courbes d'étalonnage (intensité - concentration) ; on amène des échantillons devant le laser 2 de la figure 1 afin de générer des raies d'émission et notamment celles caractéristiques des éléments chimiques à identifier/détecter en utilisant la technologie LIBS ;

- on recueille les raies d'émission générées et on les sépare (filtrage) afin de conserver uniquement celles des éléments de chaque échantillon à identifier/détecter ;

on détecte les raies d'émission séparées grâce aux détecteurs du spectromètre ;

- on obtient en sortie des détecteurs les intensités des raies ainsi détectées ;

on compare ces intensités aux valeurs seuils de la carte de criblage (signature(s) de référence) ; et

on trie les échantillons en fonction du résultat de cette comparaison afin de conserver les échantillons dont les éléments chimiques d'intérêt ont des intensités de rayonnement (teneurs) inférieures aux seuils et de rejeter les échantillons pour lesquels l'intensité (teneur) d'au moins un élément chimique est supérieure au seuil correspondant.

Alternativement, l'étape de comparaison est effectuée sur des valeurs de concentrations ou teneurs d'éléments chimiques obtenues grâce aux courbes d'étalonnage.

La figure 2 illustre un système pour la mise en œuvre du procédé d'identification et de tri de matière bois (pièces, échantillons) exposé ci-dessus. Ce système comprend un dispositif d'avancement 20 tel qu'un convoyeur destiné à faire avancer des pièces ou échantillons 10 placés sur le convoyeur 20. Une source laser 30 émet un faisceau laser focalisé sur lesdits échantillons 10 qui avancent sur le convoyeur afin d'ablater la matière et de générer un plasma. Les raies d'émission issues du plasma sont recueillies par un dispositif d'acquisition 40 spectromètre (polychromateur et détecteurs) permettant de détecter et d'identifier des éléments chimiques. Un dispositif de traitement 60 (ordinateur) est apte à traiter les spectres identifiés (informations spectrales) en utilisant des algorithmes mathématiques basés sur le calcul de coefficients de corrélation entre des spectres de référence et les spectres mesurés. Ces traitements permettent de fournir une décision par rapport aux teneurs observées et aux seuils fixés. On notera que le dispositif de traitement 60 est apte à effectuer des comparaisons entre des grandeurs physiques issues des spectres identifiés (informations spectrales) et des valeurs seuil (intensités, concentration...) lorsque seules des informations spectrales monochromatiques sont détectées (simplicité et rapidité de mise en œuvre du procédé). Un dispositif d'éjection 70 (optionnel) comprenant des moyens pour éjecter une partie desdits échantillons est par exemple placé à la fin de la chaîne de production. Ce dispositif est configuré pour éjecter un échantillon lorsque la teneur observée d'un élément recherché dépasse un seuil proposé dans ledit échantillon. De cette manière, les échantillons sont classés et triés suivant leur typologie et pourront être utilisés pour la construction de produits de qualités différentes. L'analyse des spectres, l'acquisition des données ainsi que le traitement sont synchronisés à l'aide d'un système informatique.

La figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un système 100 d'identification et de tri de pièces ou échantillons en bois de recyclage selon l'invention.

Ce système comprend, comme le système de la figure 2 :

un dispositif d'avancement 102 de pièces ou échantillons 104, une source de lumière laser 106,

un dispositif 108 d'acquisition de raies d'émission générées à partir du plasma produit par le faisceau laser (technologie LIBS) et de production d'informations spectrales,

un dispositif de traitement de données 1 10,

un dispositif (optionnel) 1 12 d'éjection pneumatique de pièces 104 afin de les diriger différemment selon le résultat de la comparaison avec des valeurs seuils (teneurs, intensités...).

II est par exemple possible d'utiliser un laser commercialisé par l'une des sociétés Quantel, Continium et Amplitude et un spectromètre commercialisé par l'une des sociétés Atom Research, Océan Optics et Horiba Jobin Yvon. Ce système comprend en outre des moyens 1 14 tels qu'une caméra 3D (par exemple une caméra commercialisée par la société Stemmer Imaging, Vision Component ou Sick) qui sont par exemple positionnés en amont de la source 106 suivant le sens de défilement des pièces 104.

On notera que les moyens 1 14 permettent de repérer la position spatiale de chaque pièce 104 (détermination de ses coordonnées géométriques X, Y, Z) sur le dispositif 102 et d'effectuer une reconstruction volumique (forme, volume) de chaque pièce grâce à un algorithme de traitement (intégré dans la caméra).

Les moyens 1 14 fournissent ces informations spatiales à la source 106 (et/ou au dispositif 1 10) afin que, sous le contrôle du dispositif de traitement de données 1 10, le faisceau laser (impulsion lumineuse générée) soit focalisé sur une zone précise de l'échantillon et, par exemple, à une profondeur (Z) donnée (pilotage du ou des tirs laser).

La synchronisation de ces différents moyens est assurée par le dispositif 1 10 qui connaît en outre la position précise desdits moyens les uns par rapport aux autres et par rapport au dispositif 102.

Comme expliqué précédemment le dispositif 108 (spectromètre) acquiert des informations spectrales relatives à des éléments chimiques d'intérêt et, avec le dispositif de traitement 1 10, comparent les teneurs des éléments chimiques présents dans chaque échantillon aux valeurs seuils de la carte de criblage (signature(s) de référence).

Cette comparaison est effectuée directement à partir des teneurs obtenues grâce aux courbes d'étalonnage ou à partir des intensités ou bien encore par comparaison de spectres de mesure et de référence.

Le système est ainsi capable de trier les échantillons ou pièces 104 selon le résultat de cette comparaison et de décider de conserver certains échantillons (valeurs seuils non dépassées pour les teneurs des éléments chimiques des échantillons) ou de les rejeter (au moins une valeur seuil dépassée).

Le dispositif d'éjection, piloté par le dispositif 1 10, dévie par soufflage les échantillons en fonction de la décision prise.

On notera que la connaissance du volume de chaque pièce 104 (quelles que soient sa forme et ses dimensions), de la densité du bois de recyclage et de la teneur de chaque élément chimique (ex : métal) dans la pièce concernée (via les courbes d'étalonnage) permet de déterminer la masse de chaque élément dans chaque pièce.

Il est ainsi possible d'estimer la masse cumulée d'un élément chimique ou de tous les éléments chimiques détectés dans les pièces triées, qui sont à recycler et éventuellement dans celles à mettre au rebut.

De nombreuses combinaisons techniques peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter.