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WO2012146392A1 - Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung von physikalischen eigenschaften granularer materialien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung von physikalischen eigenschaften granularer materialien Download PDF

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Publication number
WO2012146392A1
WO2012146392A1 PCT/EP2012/001853 EP2012001853W WO2012146392A1 WO 2012146392 A1 WO2012146392 A1 WO 2012146392A1 EP 2012001853 W EP2012001853 W EP 2012001853W WO 2012146392 A1 WO2012146392 A1 WO 2012146392A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ray
particles
measurement
gamma
granular material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/001853
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Paul CIPOLD
Helge Benjamin WURST
Jan Felix BACHMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sishen Iron Ore Co Pty Ltd
Original Assignee
Sishen Iron Ore Co Pty Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sishen Iron Ore Co Pty Ltd filed Critical Sishen Iron Ore Co Pty Ltd
Priority to AU2012247760A priority Critical patent/AU2012247760A1/en
Priority to DE112012001932.6T priority patent/DE112012001932A5/de
Publication of WO2012146392A1 publication Critical patent/WO2012146392A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2522—Projection by scanning of the object the position of the object changing and being recorded
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour
    • B07C5/3425—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour of granular material, e.g. ore particles, grain
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/06—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption
    • G01N23/083—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption the radiation being X-rays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/635—Specific applications or type of materials fluids, granulates

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for measuring physical properties of granular products or materials.
  • a characterization of the particles is of the utmost importance for the rational further processing of granular materials.
  • the task is to specify as many criteria as possible for the execution of reprocessing processes for a given product or a given material flow.
  • Two typical parameters of interest are, for example, the density and dimensions of the particles.
  • the invention seeks to do this by providing an improved system for the measurement of physical properties of granular products or materials.
  • the invention firstly provides a method for characterizing physical properties of granular materials, which is characterized
  • the individual particles of the granular material are optically measured individually non-contact and irradiated with X-rays or gamma rays, wherein the optical measurement provides data on the outer dimensions and the topography of the surfaces of the particles, while the X-ray or gamma-ray measurement data on the density distribution within the particles and / or the ingredients of the particles,
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the X-ray or gamma-ray measurement is carried out in each case in at least two different energy levels, which provide different measurement results due to their different intensity, and that from the different measurement results of these measurements in combination with the measurement results of optical measurement additional Information about the density distribution within the particles and / or the ingredients of the particles be won. By this measure, it is possible to make much more accurate information in particular on the content and the density distribution in the particles.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out the above-described method, which is characterized by
  • an optical measuring section which has at least one laser and two cameras for performing a laser triangulation
  • An X-ray or gamma ray measuring device having an X-ray or gamma ray source and opposite an X-ray or gamma ray detector.
  • the two measuring sections for the optical measurement and the X-ray or gamma-ray measurement can coincide locally.
  • the measuring sections can be assigned a measuring device for an X-ray fluorescence measurement.
  • a data processing system that uses data from the optical sensor, the light source, the x-ray source, and the x-ray detector to calculate physical properties of granular products or materials that are traveling past the conveyor belt.
  • the at least one light source may be a laser or a photodiode.
  • the optical sensor may be a camera.
  • Fig. 1 A schematic exemplary
  • FIG. 2 shows a schematic exemplary representation of the function of the light source and of the optical sensor
  • Fig. 3 a schematic exemplary
  • the system 10 includes at least one optical sensor in the form of a camera 12 mounted over a conveyor belt 14.
  • the granular product or material is usually supplied to the conveyor 14 via a vibrating conveyor or a slowly moving conveyor and then moves on the conveyor 14 in the direction of the arrow A.
  • the conveyor 14 is suitably a conveyor with variable conveyor speeds.
  • two cameras 12 are used, the function of which will be described in detail below.
  • position-sensitive diodes can be used, which can be used for a scanning laser triangulation.
  • the spatially resolving sensors are arranged on the same plane with the scanning laser beam, which preferably runs perpendicular to the conveying direction A of the granular material.
  • Another way to obtain triangulation data is to use an array of spatially resolved sensors (PSD) that record the same surfaces in a light-layer geometry.
  • PSD spatially resolved sensors
  • the sensor arrays require a large number of one-dimensional sensors (photodiodes), which are arranged in parallel rows next to each other.
  • the number of photodiodes in a row should correspond to the horizontal pixel count of a standard camera sensor.
  • optical design using a PSD array is comparable to the geometrical arrangement discussed above in the context of the standard design.
  • the PSD array is rasterized only in one dimension, with each readout channel or each photodiode array corresponding to a series of pixels.
  • the centroid calculation of pixel values is replaced by a general representation of difference and sum signal values for each PSD (photodiode array).
  • the electronic PSD module contains integrated circuits for the control and processing of mixed signals, for amplification, for multiplexing, for image-oriented sampling and for A / D walling. Sensor arrays with 128 rows are already available. Sensor arrays with even more rows are under development.
  • Refresh rates of 1,000 to 10,000 frames per second are achievable. They allow complete topographic scanning of the particles within the time that these particles require to pass the optical scanner in free fall.
  • a light emitting device is mounted above the conveyor belt 14.
  • this light emitting device is a laser 16.
  • another suitable light source may equally well be used, e.g. with one or more photodiodes, which can be arranged side by side or even two-dimensionally.
  • more than one laser 16 may be used, with the at least one laser generating 16 laser spots or a laser line that may be evaluated.
  • the laser 16 projects a geometric pattern onto the granular particles or materials to be evaluated. This pattern is a line in the illustrated embodiment, which is projected across the conveyor belt 14.
  • the lasers 16 project light, which is reflected by the material to be measured and recorded by the two cameras 12.
  • the laser 16 and the cameras 12 together form a first measuring section.
  • one or more cameras 12 are arranged in the conveying direction A in front of the laser 16 and one or more cameras 12 in the conveying direction behind the laser 16.
  • the cameras 12 and the laser 16 will be used. to accomplish a non-contact optical examination by triangulation, which is described below.
  • the laser 16 projects a precisely focused light spot onto a surface.
  • An image of this laser light spot is then projected by means of a lens 24 onto a detector 26, which may be a CCD line sensor or other location-resolving measuring device, to measure the distance by means of the lens 24.
  • the lens 24, which "sees" the laser spot is positioned at an angle to the surface onto which the laser spot is projected, and the location of the projected laser spot on the detector depends on the distance between the object to be measured and the detector and the distance between the laser and the sensor.
  • An optical distance measurement in the range of 10 to 100 cm is well possible with such a laser arrangement.
  • a one-dimensional view gives little information about each particle on the conveyor. In the best case, a length and height profile can be obtained along a single line of the particle. In the worst case, a particle is not seen or wrong because it is not exactly centered. If the particle is detected a second time and its orientation does not exactly match the previous orientation, the measurement will show a completely different result.
  • a two-dimensional measurement is used which uses a line laser 16, wherein the optical measuring path comprises the two cameras 12.
  • the optical measuring path comprises the two cameras 12.
  • an imaging device is used. This device can be connected to a computer, which is a fast and easily configurable evaluation device. Theoretically best result can be achieved if the camera is aligned with the conveyor, which means that the camera position is aligned parallel to the conveying direction.
  • the distance between the projection of the laser image point in the absence of a particle on the one hand and in the presence of a particle of a given height on the other hand is maximized on the camera monitors.
  • the back of the particle remains completely invisible from the camera's line of sight.
  • the larger the angle ⁇ (see Figure 2) the worse the possible measurement result with a given camera.
  • the angle ⁇ is at the same time the largest (negative) inclination of the rear surface, at which the measurement still works.
  • two or more lasers can be installed to the right and left of the conveyor belt.
  • the perception of the particles can be improved by the use of another camera in a very shallow angle ⁇ .
  • the calculations described above are performed with a computer 22 that calculates, using data provided by the components discussed above, the physical properties of granular products or materials transported on the conveyor belt 14.
  • the parameters determined can be used to determine the volume of the measured particles of the granular products or materials.
  • At least one X-ray source 18 and an X-ray detector 20 are arranged in the region of the belt conveyor 14. These form a second measuring section.
  • the energy level of the x-ray source may be fixed or adjustable. Instead of the X-ray source, a gamma ray source can also be used.
  • the detector 18 is a X-ray or gamma ray detecting line detector or flatbed area detector.
  • the detector 18 is a broad band energy detector operating in many energy levels.
  • the X-ray measurement and the optical measurement need not be carried out spatially separated, but can be carried out together in a common measurement section.
  • the measurement periods are preferably coincident. This reduces the space required for the instrument and the requirements in the evaluation in the computer.
  • the consistency of the data acquired from the various subsystems improves.
  • the X-radiation is examined for its energy and assigned to determine the density of each particle of the granular product or material.
  • the intensity of the damping is determined by the atomic number of the material (materials with higher atomic numbers attenuate the X-ray radiation more strongly than materials with a low atomic number) and the thickness of the material. For this reason, the measurement of unrestrained (penetrating) radiation gives an idea of the mass distribution in each particle. In conjunction with the optical measurement, the density distribution inside each particle can be deduced therefrom.
  • the density of each particle of granular products or materials is preferably determined at two levels of energy by dual-energy x-ray absorptiometry (DXA).
  • DXA dual-energy x-ray absorptiometry
  • a second measurement with a higher energy level with higher permeability is used to increase the dynamic density measurement range towards larger masses per unit area.
  • the measurement method can be extended by a subsystem with X-ray fluorescence analysis, which provides information about the elemental composition for each particle (see U.S. Patent No. 7,200,200).
  • X-ray measurement and triangulation measurements are combined to determine the basis weight of the individual particles of the granular products or materials and to determine the density distribution within the individual particles.
  • the measured particles or materials are classified or sorted according to the material properties found. This allows for further classification with regard to certain density classes or specific size classes. For example, particles of a particular density class can be collected, ground, and chemically analyzed in the laboratory.
  • the sorting can be done with an automatic mechanical system that includes a sorting robot.
  • This automatic mechanical system spatially separates the individual particles and places them in temporary or final collection containers.
  • each particle can be sorted into a specific container, and accordingly one comprehensive set of selected criteria. For example, so-called pick-and-place robots are fast enough to detect and sort all particles once the quality parameters have been evaluated.
  • the material is additionally transversely irradiated with X-rays or gamma rays.
  • the surfaces of the material are measured without contact.
  • the optical measurement is carried out without mechanical support of the particles.
  • the measurement is proposed in free fall. In this way, the optical measurement of the entire surfaces can be performed while the particle falls onto the conveyor or falls off the conveyor.
  • the unsupported state is realized when all sides of the particles can be detected between two changes of the frame of reference.
  • the state is also reached when at least one side can be reached, which is inaccessible in other transport steps due to the mechanical means of transport.
  • advantages arise for the mechanically unaided measurement, preferably when the topographical measurements are to be combined by scanning or frame-related images with other imaging methods in order to additionally evaluate and correct them by means of rotational movements.
  • Multiple imaging steps can also be used to record the kinematic behavior of the particles.
  • Such a subsystem for the optical detection of topographical and kinematic data is preferably combined with a mechanically unsupported X-ray measurements.
  • the measurement periods are coordinated so that the imaging on the basis of X-ray throughput Radiation operates with a sequence of high frequency and that the space-monitoring X-ray detector works one or two-dimensional, allows rapid data acquisition and is largely integrated into the particle transport system.
  • kinematic information and frame-related X-ray measurements will allow the computation of volumetric information if the particle has a spin that is not zero, thereby allowing classification of the three-dimensional spatial resolution particles.
  • the invention thus describes an optical method in which the particles can be characterized by the determination of all three dimensions: length, width, height - as well as the volume of the particles. In addition, from these measurements, further characterizing dimensional ratios such as the ratio of width to length can be derived.
  • Another important advantage of the invention is the application of the method in an online arrangement.
  • the system according to the invention can provide a continuous analysis of the density and size distribution without the intervention of laboratory personnel.
  • the invention describes an optical measuring method by which the particles can be accurately characterized by determining the particles both in terms of the total or partial topography of their surfaces and in terms of their volume, combined with complementary X-ray analysis techniques, the information on provide the internal nature of the particles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung von physikalischen Eigenschaften granularer Materialien. Um ausreichende Informationen über die Form und den Inhalt der einzelnen Teilchen des granularen Materials zu gewinnen, weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine optische Messstrecke auf, die zur Durchführung einer Lasertriangulation mindestens einen Laser (16) und zwei Kameras (12) aufweist, weiterhin eine Röntgen- oder Gammastrahlmesseinrichtung (18, 20), die eine Röntgen-oder Gammastrahlquelle (18) und gegenüberliegend einen Röntgen- oder Gammastrahldetektor (20) aufweist und schließlich eine Fördereinrichtung (14) aufweist, welche das granulare Material mechanisch unterstützt entlang den Messstrecken der Lasertriangulation (12, 16) und der Röntgen- oder Gammastrahlmesseinrichtung (18, 20) bewegt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zurCharakterisieruna von physikalischen Eigenschaften granulärer Materialien
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von physikalischen Eigenschaften von granulären Produkten oder Materialien.
In verschiedenen Industrien, insbesondere im Bergbau, ist für die rationelle Weiterverarbeitung von granulären Materialien eine Charakterisierung der Teilchen von größter Bedeutung. Aufgabe ist es, für ein gegebenes Produkt oder einen gegebenen Materialfluss möglichst viele Kriterien für die Durchführung von Aufbereitungsvorgängen anzugeben. Zwei typische Parameter von Interesse sind beispielsweise die Dichte und die Abmessungen der Teilchen.
Gut eingeführt sind verschiedene Methoden zur Bestimmung von Teilchengrößen. Im Bereich von Teilchengrößen über 1 mm werden normalerweise Siebverfahren verwendet. Die Siebanalyse hat jedoch den Nachteil, dass das Teilchen nur durch einen einzigen Wert charakterisiert werden, der der Maschenweite des speziellen Siebes entspricht. Diese Charakterisierung ist sinnvoll, wenn die Teilchen eine kubische oder kugelige Form haben. Reale Teilchen in industriellen Bearbeitungsvorgängen haben jedoch oft andere Formen, z. B. länglich oder flach.
Die Bestimmung der Dichte der Teilchen erfolgt im Laboratorium normalerweise nach dem Archimedischen Prinzip unter Verwendung von Schwerflüssigkeiten zur Durchführung einer Schwimm- Sinkanalyse. Die hierfür verwendeten Flüssigkeiten sind allerdings oft toxisch und aus Sicherheitsgründen verboten. Zeit-,
BESTÄTIGUNGSKOPIE Kosten- und Sicherheitsaspekte der Schwimm- Sink- Methode haben Veranlassung gegeben, einen neuen Ansatz zur Bereitstellung von Kriterien für Aufbereitungsvorgänge zu suchen, insbesondere weil das Leistungsniveau von Aufbereitungsanlagen maximiert werden kann, wenn leicht zugänglich verlässliche Informationen zur Verfügung stehen, deren Basis eine Analyse der Dichte in Verbindung mit der Teilchengrößenverteilung und dem Gehalt an Wertstoffen ist.
Die Erfindung versucht, dies durch ein verbessertes System für die Messung von physikalischen Eigenschaften von granulären Produkten oder Materialien zu ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist zunächst ein Verfahren zur Charakterisierung von physikalischen Eigenschaften granulärer Materialien, welches sich dadurch kennzeichnet,
- dass die einzelnen Teilchen des granulären Materials einzeln berührungsfrei optisch vermessen werden und mit Röntgen- oder Gammastrahlen durchstrahlt werden, wobei die optische Vermessung Daten über die äußeren Abmessungen und die Topographie der Oberflächen der Teilchen liefert, während die Röntgen- oder Gammastrahlmessung Daten über die Dichteverteilung innerhalb der Teilchen und/oder die Inhaltsstoffe der Teilchen liefert,
- und dass die Daten der optischen Vermessung mit den Daten der Röntgen- oder Gammastrahlmessung online miteinander verknüpft werden und im Ergebnis Daten für die Weiterverarbeitung des granulären Materials liefern.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Röntgen- oder Gammastrahlmessung jeweils in mindestens zwei unterschiedlichen Energieniveaus durchgeführt wird, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Intensität unterschiedliche Messergebnisse liefern, und dass aus den unterschiedlichen Messergebnissen dieser Messungen in Kombination mit den Messergebnissen der optischen Vermessung zusätzliche Informationen über die Dichteverteilung innerhalb der Teilchen und/oder die Inhaltsstoffe der Teilchen gewonnen werden. Durch diese Maßnahme ist es möglich, insbesondere über den Inhalt und die Dichteverteilung in den Teilchen wesentlich genauere Angaben zu machen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch
- eine optische Messstrecke, die zur Durchführung einer Lasertriangulation mindestens einen Laser und zwei Kameras aufweist,
- eine Röntgen- oder Gammastrahlmesseinrichtung, die eine Röntgen- oder Gammastrahlquelle und gegenüberliegend einen Röntgen- oder Gamma- strahldetektor aufweist.
- und Fördereinrichtungen, welche das granuläre Material mechanisch unterstützen und/oder im freien Fall entlang den Messstrecken bewegen.
Die beiden Messstrecken für die optische Vermessung und die Röntgen- oder Gammastrahlvermessung können örtlich zusammenfallen.
Zusätzlich kann den Messstrecken ein Messgerät für eine Röntgenfluoreszensmessung zugeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht ein System zur Messung von physikalischen Eigenschaften von granulären Produkten oder Materialien vor, welches umfasst:
- einen optischen Sensor, der im Bereich eines Förderbands anbringbar ist,
- eine Lichtquelle, die im Bereich des Förderbands anbringbar ist, - eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor, die im Bereich des Förderers anbringbar sind und
- eine Datenverarbeitungsanlage, die Daten des optischen Sensors, der Lichtquelle, der Röntgenquelle und des Röntgendetektors verwendet, um physikalische Eigenschaften von körnigen Produkten oder Materialien zu berechnen, die auf dem Förderband vorbeibewegt werden.
Die mindestens eine Lichtquelle kann ein Laser oder eine Fotodiode sein.
Der optische Sensor kann eine Kamera sein.
Die beiden Figuren zeigen:
Fig. 1 : Eine schematische beispielhafte
Darstellung eines Systems zur Realisierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens;
Fig. 2: eine schematische beispielhafte Darstellung für die Funktion der Lichtquelle und des optischen Sensors;
Fig. 3: eine schematische beispielhafte
Darstellung für die Funktion des Lasers und der Kameras.
Wie in Figur 1 dargestellt umfasst das System 10 mindestens einen optischen Sensor in Form einer Kamera 12, die über einem Förderband 14 angebracht ist. Das granuläre Produkt oder Material wird dem Förderer 14 üblicherweise über einen Vibrationsförderer oder einen langsam bewegten Förderer zugeführt und bewegt sich dann auf dem Förderer 14 in Richtung des Pfeiles A.
Der Förderer 14 ist zweckmäßig ein Förderer mit variablen Fördergeschwindigkeiten. Bei der dargestellten Ausführungsform werden zwei Kameras 12 verwendet, deren Funktion weiter unten im Detail beschrieben wird.
Alternativ zu den Kameras können ortsauflösende Sensoren (position sensitive diodes = PSD) eingesetzt werden, die für eine Abtast-Lasertriangulation verwendbar sind. Für diese Funktion sind die ortsauflösenden Sensoren (PSD) auf gleicher Ebene mit dem abtastenden Laserstrahl angeordnet, der vorzugsweise senkrecht zur Förderrichtung A des granulären Materials verläuft.
Ein anderer Weg zur Erlangung von Triangulationsdaten ist die Verwendung eines Arrays aus ortsauflösenden Sensoren (PSD), die die gleichen Oberflächen in einer Lichtschichtgeometrie aufnehmen.
Die Sensor-Arrays benötigen eine große Zahl von eindimensionalen Sensoren (Fotodioden), die in Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Anzahl der Fotodioden in einer Reihe sollte der horizontalen Bildpunktezahl eines Standard-Kamerasensors entsprechen.
Der optische Aufbau unter Verwendung eines PSD-Arrays ist vergleichbar mit der geometrischen Anordnung, die oben im Zusammenhang mit dem Standard- Aufbau erläutert worden ist.
Das PSD-Array ist allerdings nur in einer Dimension gerastert, wobei jeder Auslesekanal bzw. jede Fotodiodenreihe mit einer Reihe von Bildpunkten korrespondiert. Die Schwerpunktberechnung von Bildpunktwerten wird durch eine allgemeine Darstellung von Differenz- und Summensignalwerten für jede PSD (Fotodiodenreihe) ersetzt.
Diese Maßnahme reduziert den Datendurchsatz erheblich und ermöglicht eine beispiellos hohe Bildwiederholfrequenzen.
Der elektronische PSD-Baustein enthält integrierte Schaltkreise für die Steuerung und Verarbeitung von Mischsignalen, für die Verstärkung, für das Multiplexverfahren, für eine bildorientierte Abtastung und für die A/D-Wand!ung. Sensor-Arrays mit 128 Reihen sind bereits erhältlich. Sensor-Arrays mit noch wesentlich mehr Reihen befinden sich in der Entwicklung.
Bildwiederholfrequenzen von 1.000 bis 10.000 Bildern pro Sekunde sind erreichbar. Sie ermöglichen eine vollständige topografische Abtastung der Teilchen innerhalb der Zeit, die diese Teilchen benötigen, im freien Fall den optischen Scanner zu passieren.
Weiterhin ist eine Lichtabstrahlvorrichtung über dem Förderband 14 angebracht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Lichtabstrahlvorrichtung ein Laser 16. Ebenso gut könne jedoch eine andere geeignete Lichtquelle verwendet werden, z.B. mit einer oder mehreren Fotodioden, die nebeneinander oder auch zweidimensional angeordnet sein können.
Beispielsweise können auch mehr als ein Laser 16 verwendet werden, wobei der mindestens eine Laser 16 Laserpunkte oder eine Laserlinie erzeugt, die ausgewertet werden können.
Auf jeden Fall projeziert der Laser 16 ein geometrisches Muster auf die zu bewertenden granulären Teilchen oder Materialien. Dieses Muster ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Linie, die quer über das Förderband 14 projeziert wird.
Mit Vorteil können auch mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel projezieren die Laser 16 Licht, welches von dem zu vermessenden Material reflektiert wird und von den beiden Kameras 12 aufgenommen wird. Die Laser 16 und die Kameras 12 bilden gemeinsam eine erste Messstrecke.
Beim Ausführungsbeispiel sind eine oder mehrere Kameras 12 in Förderrichtung A vor dem Laser 16 und eine oder mehrere Kameras 12 in Förderrichtung hinter dem Laser 16 angeordnet. Die Kameras 12 und der Laser 16 werden verwen- det, um eine berührungslose optische Untersuchung mittels Triangulation zu bewerkstelligen, die nachfolgend beschrieben wird. Gemäß Figur 2 projiziert der Laser 16 einen genau fokussierten Lichtpunkt auf eine Oberfläche. Ein Abbild dieses Laserlichtpunktes wird sodann mit Hilfe einer Linse 24 auf einen Detektor 26 projiziert, der einen CCD-Zeilensensor oder eine andere ortauflösende Messeinrichtung sein kann, um mit Hilfe der Linse 24 den Abstand zu messen. Die Linse 24, die den Laser-Lichtpunkt„sieht", ist in einem Winkel zu der Oberfläche angeordnet, auf welche der Laser-Lichtpunkt projiziert wird. Der Ort des projizierten Laser-Lichtpunktes auf den Detektor hängt von der Distanz zwischen dem zu vermessenden Objekt und dem Detektor sowie von der Distanz zwischen dem Laser und dem Sensor ab.
Eine optische Distanzmessung im Bereich von 10 bis 100 cm ist mit einer solchen Laser-Anordnung gut möglich.
Eine eindimensionale Betrachtung ergibt nur wenig Information über jedes Teilchen auf dem Förderband. Im besten Fall kann ein Längen- und Höhenprofil entlang einer einzelnen Linie des Teilchens erhalten werden. Im ungünstigsten Fall wird ein Teilchen nicht oder falsch gesehen, weil es nicht exakt zentriert ist. Falls das Teilchen ein zweites Mal erfasst wird und seine Orientierung stimmt nicht exakt mit der vorangehenden Orientierung überein, zeigt die Messung ein vollständig abweichendes Ergebnis.
Beim Ausführungsbeispiel kommt eine zweidimensionale Messung zum Einsatz, die einen Linien-Laser 16 verwendet, wobei die optische Messstrecke die beiden Kameras 12 umfasst. Der gleiche Effekt könnte mit einem schnellen Abstandssensor erreicht werden, der einen rotierenden Spiegel verwendet. Die mechanische Komplexität eines rotierenden Spiegels wäre allerdings wesentlich höher als die Verwendung einer Standard-Industriekamera. Deshalb wird eine bildgebende Vorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung kann mit einem Rechner verbunden werden, der eine schnelle und leicht konfigurierbare Auswertungseinrichtung darstellt. Das theoretisch beste Ergebnis kann erreicht werden, wenn die Kamera auf den Förderer ausgerichtet ist, was bedeutet, dass die Kameraposition parallel zu der Förderrichtung ausgerichtet ist. Hierdurch wird auf den Kameramonitoren die Distanz zwischen der Projektion des Laserbildpunktes bei Abwesenheit eines Teilchens einerseits und bei Anwesenheit eines Teilchens einer gegebenen Höhe andererseits maximiert. Bei dieser Konfiguration bleibt allerdings die Rückseite des Teilchens aus der Blickrichtung der Kamera völlig unsichtbar. Je größer der Winkel α (vgl. Figur 2) wird, desto schlechter wird das mögliche Messergebnis mit einer gegebenen Kamera. Der Winkel α ist zugleich die größte (negative) Neigung der rückwärtigen Oberfläche, bei der die Messung noch funktioniert.
Selbst bei α gleich 45 Grad zwischen Vorderrichtung und Kamera gibt es noch viele Teilchen, bei denen manche Teile der Oberfläche nicht gesehen werden können, weil sie zu steil sind. Um dies zu vermeiden, wird die Rückseite des Teilchens zur gleichen Zeit mit einer zweiten Kamera beobachtet.
Um eine Laserlinie auf Teilchen mit sehr steilen Flanken zu projizieren, können zwei oder mehr Laser rechts und links vom Förderband installiert werden.
Darüber hinaus kann die Wahrnehmung der Teilchen durch die Verwendung einer weiteren Kamera in einen sehr flachen Winkel α verbessert werden.
Die oben beschriebenen Berechnungen werden mit einem Rechner 22 ausgeführt, der unter Verwendung von Daten, die von den oben erläuterten Komponenten geliefert werden, die physikalischen Eigenschaften von granulären Produkten oder Materialien berechnet, die auf dem Förderband 14 transportiert werden.
Beim Ausführungsbeispiel sind die durch Lasertriangulation ermittelten
physikalischen Eigenschaften der granulären Produkte oder Materialien die Länge, die Breite und die Höhe der Teilchen in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem. Darüber hinaus können die ermittelten Parameter dazu verwendet werden, das Volumen der vermessenen Teilchen der granulären Produkte oder Materialien zu bestimmen.
Darüber hinaus ist mindestens eine Röntgenquelle 18 und ein Röntgendetektor 20 im Bereich des Bandförderers 14 angeordnet. Diese bilden eine zweite Messstrecke.
Das Energieniveau der Röntgenquelle kann feststehend oder verstellbar sein. Anstelle der Röntgenquelle kann auch eine Gammastrahlquelle verwendet werden.
Beim Ausführungsbeispiel ist der Detektor 18 ein Röntgen- oder Gammastrahlung erfassender Liniendetektor oder Flachbett-Flächendetektor.
Alternativ oder zusätzlich ist der Detektor 18 ein in vielen Energieniveaus arbeitender Breitband-Energie-Detektor.
Die Röntgen-Messung und die optische Vermessung müssen natürlich nicht örtlich voneinander getrennt durchgeführt werden, sondern können gemeinsam in einer gemeinsamen Messstrecke durchgeführt werden. Darüber hinaus sind die Messperioden vorzugsweise koinzident. Hierdurch reduzieren sich der Raumbedarf für das Instrumentarium und die Anforderungen bei der Auswertung im Rechner. Außerdem verbessert sich die Konsistenz der aus den verschiedenen Subsystemen akquirierten Daten.
Die Röntgenstrahlung wird im Hinblick auf ihre Energie untersucht und zugeordnet, um die Dichte von jedem Teilchen des granulären Produktes oder Materials zu bestimmen. Die Intensität der Dämpfung ist bestimmt durch die Ordnungszahl des Materials (Materialien mit höheren Ordnungszahlen dämpfen die Röntgenstrahlung stärker als Materialien mit niedriger Ordnungszahl) und die Dicke des Materials. Aus diesem Grund ergibt die Messung der nicht aufgehaltenen (durchdringenden) Strahlung ein Bild von der Massenverteilung in jedem Teilchen. In Verbindung mit der optischen Vermessung kann daraus die Dichteverteilung im Inneren von jedem Teilchen abgeleitet werden.
Die Dichte von jedem Teilchen der granulären Produkte oder Materialien wird vorzugsweise mit zwei Energie-Niveaus im Wege der Dual-Röntgen- Absorptiometrie (englisch: dual-energy-x-ray-absorptiometry = DXA) ermittelt. Zusätzlich zu einer Messung mit einem niedrigen Energieniveau wird in einer zweiten Messung mit einem höheren Energieniveau mit höherem Durchdringungsvermögen gearbeitet, um den dynamischen Dichte-Messbereich in Richtung auf größere Massen pro Flächeneinheit zu vergrößern. Zusätzlich kann das Messverfahren durch ein Subsystem mit einer Röntgen-Fluressenz-Analyse erweitert werden, welche für jedes Teilchen eine Information über die Elemente- Zusammensetzung liefert (vgl. US-Patent Nr. 7 200 200).
Schließlich werden die Röntgenmessung und die Triangulationsmessungen miteinander verknüpft, um das Flächengewicht der einzelnen Teilchen der granulären Produkte oder Materialien zu bestimmen und die Dichteverteilung innerhalb der einzelnen Teilchen zu ermitteln. Sobald die obigen Parameter bekannt sind, werden die vermessenen Teilchen oder Materialien nach den festgestellten Materialeigenschaften klassiert oder sortiert. Dies ermöglicht eine weitere Einordnung im Hinblick auf bestimmte Dichte-Klassen oder bestimmte Größe-Klassen. Zum Beispiel können Teilchen einer bestimmten Dichte-Klasse gesammelt, aufgemahlen und im Labor chemisch analysiert werden.
Die Sortierung kann mit einem automatisch arbeitenden mechanischen System vorgenommen werden, welches einen Sortier-Roboter enthält. Dieses automatische mechanische System trennt die einzelnen Teilchen räumlich voneinander und verbringt sie in vorläufige oder endgültige Sammelbehälter.
Vorausgesetzt, dass die gegenwärtigen und zukünftigen Positionen von allen erfassten Partikeln zugänglich sind und zusätzlich die zugeordneten
physikalischen Eigenschaften bekannt sind, kann jedes Teilchen in einen bestimmten Behälter einsortiert werden, und zwar entsprechend einem umfassenden Satz von ausgewählten Kriterien. Zum Beispiel sind sogenannten Pick-and-Place-Roboter schnell genug, alle Teilchen zu erfassen und zu sortieren, sobald die Qualitätsparameter ausgewertet sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Material zusätzlich quer mit Röntgen- oder Gammastrahlung durchstrahlt. Außerdem werden die Oberflächen des Materials berührungslos vermessen.
Hervorzuheben ist weiterhin, dass die physikalischen Eigenschaften der Teilchen nicht verändert werden.
Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform erfolgt die optische Vermessung ohne mechanische Unterstützung der Teilchen. Insbesondere wird die Vermessung im freien Fall vorgeschlagen. Auf diese Weise kann die optische Vermessung der vollständigen Oberflächen durchgeführt werden, während das Teilchen auf den Förderer fällt oder von dem Förderer herunterfällt.
Der nicht unterstützte Zustand ist verwirklicht, wenn alle Seiten der Teilchen zwischen zwei Wechseln des Bezugsrahmens erfasst werden können. Der Zustand ist ebenfalls erreicht, wenn wenigstens eine Seite erreicht werden kann, die bei anderen Transportschritten aufgrund der mechanischen Transportmittel unzugänglich ist.
In diesem Zusammenhang ergeben sich für die mechanisch ununterstützte Messung Vorteile vorzugsweise dann, wenn die topographischen Vermessungen durch Scannen oder rahmenbezogene Bilder mit anderen bildgebenden Verfahren kombiniert werden sollen, um anhand von Rotationsbewegungen zusätzlich zu bewerten und zu korrigieren. Mehrfache Bildgebungsschritte können auch verwendet werden, dass kinematische Verhalten der Teilchen aufzuzeichnen.
Ein solches Subsystem zur optischen Erfassung von topographischen und kinematischen Daten wird vorzugsweise mit einer mechanisch ununterstützten Röntgenmessungen kombiniert. Dabei werden die Messperioden derart aufeinander abgestimmt, dass die Bildgebung auf der Basis von Röntgendurch- Strahlung mit einer Bildfolge hoher Frequenz arbeitet und dass der den Raum überwachende Röntgen- Detektor ein- oder zweidimensional arbeitet, eine schnelle Daten Acquisition ermöglicht und weitgehend in das Teilchentransportsystem integriert ist.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass eine Kombination von kinematischen Informationen und rahmenbezogenen Röntgenmessungen die Berechnung von volumetrischen Informationen erlaubt, wenn das Teilchen einen Drall hat, der nicht Null ist, wodurch eine Klassifikation der Teilchen mit dreidimensionaler Ortsauflösung möglich wird.
Die Erfindung beschreibt also ein optisches Verfahren, bei welchem die Teilchen durch die Bestimmung von allen drei Abmessungen charakterisiert werden können: Länge, Breite, Höhe - ebenso wie das Volumen der Teilchen. Darüber hinaus können aus diesen Messungen weitere charakterisierende Abmessungsverhältnisse wie das Verhältnis von Breite zu Länge abgeleitet werden.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist die Anwendung des Verfahrens in einem Online-Arrangement. Durch die Verwendung einer automatischen Probenahmeeinrichtung kann die Anlage gemäß der Erfindung eine kontinuierliche Analyse der Dichte- und Größenverteilung liefern, ohne das Laborpersonal eingreift.
Darüber hinaus beschreibt die Erfindung ein optisches Messverfahren, durch welches die Teilchen genau charakterisiert werden können, indem die Teilchen sowohl im Hinblick auf die gesamte oder teilweise Topographie ihrer Oberflächen als auch im Hinblick auf ihr Volumen bestimmt werden, kombiniert mit komplementären Röntgenanalysetechniken, die Informationen über die innere Beschaffenheit der Teilchen liefern.
Schließlich können aus den Messungen zusätzliche Charakteristika abgeleitet werden, z. B. das Seitenverhältnis und die Dichteverteilung innerhalb von jedem Teilchen.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Charakterisierung von physikalischen Eigenschaften granulärer Materialien,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die einzelnen Teilchen des granulären Materials einzeln und berührungsfrei optisch vermessen werden und mit Röntgen- oder Gammastrahlen durchstrahlt werden, wobei die optische Vermessung Daten über die äußeren Abmessungen und die Topographie der Oberflächen der Teilchen liefert, während die Röntgen- oder Gammastrahlmessung Daten über die Dichteverteilung innerhalb der Teilchen und/oder die Inhaltsstoffe der Teilchen liefert,
- und dass die Daten der optischen Vermessung mit den Daten der Röntgen- oder Gammastrahlmessung online miteinander verknüpft werden und im Ergebnis Daten für Weiterverarbeitung des granulären Materials liefern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgen- oder Gammastrahlmessungen jeweils mit mindestens zwei unterschiedlichen Energieniveaus durchgeführt werden, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Intensität unterschiedliche Messergebnisse liefern, und dass aus den unterschiedlichen Messergebnissen dieser Messungen in Kombination mit den Messergebnissen der optischen Vermessung zusätzliche Informationen über die Dichteverteilung innerhalb der Teilchen und/oder die Inhaltsstoffe der Teilchen gewonnen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vermessung mit Lasertriangulation erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das granuläre Material auf einem Förderer liegend an der oder den Messstrecken vorbeibewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das granuläre Material im freien Fall an der oder den Messstrecken vorbeibewegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Inhaltsstoffe der Teilchen durch eine Röntgenfluoreszenzmessung ergänzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen des granulären Materials abschließend anhand der Messergebnisse nach Größe und/oder Form klassiert oder nach Inhaltsstoffen sortiert werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch
- eine optische Messstrecke, die zur Durchführung der Lasertriangulation mindestens einen Laser und zwei Kameras aufweist,
- eine Röntgen- oder Gammastrahlmesseinrichtung, die eine Röntgen- oder Gammastrahlquelle und gegenüberliegend einen Röntgen- oder Gamma- strahldetektor aufweist,
- und Fördereinrichtungen, welche das granuläre Material mechanisch unterstützt und/oder im freien Fall entlang den Messstrecken bewegen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke für die optische Vermessung und die Röntgen- Gammastrahl- messstrecke örtlich zusammenfallen.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeich- net, dass den Messstrecken zusätzlich ein Messgerät für eine Röntgenfluores- zenzmessung zugeordnet ist.
- Zusammenfassung -
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