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(11) | EP 0 620 050 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Vorrichtung und Verfahren zur Qualitäts- und Grössensortierung von Produkten und Artikeln Device and method for sorting products and articles according to quality and size Dispositif et procédé de tri de produits et d'articles selon leur qualité et leur taille |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Qualitäts- und Größensortierung, insbesondere für landwirtschaftliche und Naturprodukte wie Obst, Gemüse, Hackfrüchte sowie andere Artikel. Aus der BG-A 30 805 ist eine Vorrichtung zum Sortieren von Früchten bekannt, deren fotometrisches System zwei Fotoempfänger für zwei Wellenlängen aufweist. Die Ausgänge der Fotoempfänger sind mit zwei identischen Verstärkern verbunden, deren Verstärkung automatisch regulierbar ist. Dabei sind die Ausgänge der Verstärker über zwei Verzögerungsleitungen mit den Eingängen von zwei Analog/Digital-Wandlern verbunden, deren Ausgänge mit Rechengliedern zur Ermittlung des Mittelwertes, der Amplitude sowie des Maximal- und des Minimalwertes verbunden sind. Die Ausgänge der Rechenglieder sind mit den Eingängen von zwei logischen Blöcken zum Ermitteln des Endergebnisses für die Güte und die Ausgänge dieser logischen Blöcke und über Endschalter mit den Sortiergliedern verbunden.
Desweiteren ist eine Vorrichtung zum automatischen Sortieren von Früchten, Gemüse und Wurzelgemüse nach DE 38 42 098 bekannt geworden, die eine fotometrische Kamera mit zwei Fotoempfängern für zwei Wellenlängen enthält. Deren Ausgänge sind über Verstärker mit Fehlerkorrektor, Hochfrequenzfilter mit Spitzendetektor, Niederfrequenzfilter, ein logisches ODER-Gatter, Differenzverstärker, ein Multiplizier-/Dividier-Glied, einen Analog-Digitalwandler, ein Interface und einen Mikrocomputer mit Blöcken für die Ermittlung der Gütelösung verbunden, während die Ausgänge dieser Blöcke über Endschalter mit den Sortiergliedern in Verbindung stehen.
Ein nach DD 272 425 bekannt gewordenes Verfahren und Anordnung zur Qualitätssortierung lanwirtschaftlicher Produkte sieht vor, mittels einer optischen Meßeinrichtung eine Qualitätssortierung, d.h. die Klassierung nach Reifegrad, Oberflächenmerkmalen - wie Beschädigungen, Erkrankungen, Druckstellen, Anormalitäten, Mißbildungen - und nach Größe zu ermöglichen, wenn die stückartigen Güter mittels optimal gerichteten Auflichts ausreichend beleuchtet wurden und über die von der Objektoberfläche bzw. dem Hintergrund und den beschädigten Oberflächenbezirken und/oder zwischen Hintergrund und Oberflächenrand und/oder im spektralen Grundniveau zum Vergleichsobjekt aufweist. Die remittierte optische Strahlung belichtet dabei entsprechend der jeweilig vorhandenen punktuellen Lichtintensitätsverteilung eine Anordnung zeilen- oder matrizenförmiger optoelektronischer Elemente. Die gewandelten analogen elektrischen Bildsignalfolgen werden in einer Auswerteschaltung vorverarbeitet, in einem Speichersystem digital abgelegt und anschließend in einem Informationsverarbeitungssystem die für die Qualitätssortierung erforderlichen Merkmalklassen den stückartigen Gütern zugeordnet. Eine nachgeordnete Ansteuerschaltung gibt die für die Auswurforgane benötigten Ansteuersignale aus. Durch einen Filter vor dem Objektiv kann der Kontrast zwischen Objektflächenhintergrund und dem Mangelbereich erhöht werden. Die Anordnung optoelektronischer Elemente ist vorzugsweise als monolithisch integrierte Schaltung auszuführen, und als Informationsverarbeitungssystem sind ein oder mehrere Spezial- oder Mikroprozessoren einzusetzen.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Unterscheidung bzw. Sortierung landwirtschaftlicher Produkte nach Oberflächenmerkmalen nach DD 255 594 erfolgt mittels einer speziellen elektronischen Steuerung und Verarbeitung für die Signale von Zeilensensoren insbesondere ein paarweiser Vergleich der Grauwerte von in Zeilenrichtung versetzt befindlichen größenverstellbaren Bildpunkten und eine Bewertung der Grauwertdifferenzen sowie auch von absoluten Grauwerten zur Fehlererkennung nach variabel einstellbaren Kriterien. Dieser Vergleich wird durch Quotientenbildung der Signale von Bildpunkten vorgenommen, die nicht unmittelbar benachbart, sondern durch eine ganze Anzahl von nz Zwischenpunkten getrennt sind.
In DE 27 22 368 wird eine Sortiervorrichtung beschrieben, bei der das zu sortierende kleinstückige Gut, wie z.B. Bohnen, mit Licht, erzeugt von mehreren separaten Lampen, in einer schmalen Ebene senkrecht zur Produktfallrichtung beleuchtet wird, bei der mehrere unterschiedliche Fotodioden zur Detektion von reflektierten Licht aus zwei Spektralbändern vorgesehen sind, wobei die detektierten Spektralbereiche einmal im sichtbaren und einmal im infraroten Bereich liegen. Mit dem dort vorgeschlagenen optischen Abtaster lassen sich die zu sortierenden Produkte nur nach Farbunregelmäßgkeiten sortieren. Eine Erkennung unterschiedlicher Produktformen als auch eine Unterscheidung bspw. zwischen einer gesunden kleinen Frucht und einer faulen größeren Frucht ist mit dieser Lösung nicht möglich. Für die Sortierung größerer Produkte, wie z.B. Kartoffeln, stößt die Erfindung, aufgrund der dort zum Einsatz gelangenden Fotodetektoren, an technisch nicht mehr realisierbare Grenzen.
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren lassen lediglich begrenzte Möglichkeiten bzgl. der Merkmale der Gütebestimmung der Produkte sowie begrenzte Sortiermöglichkeiten zu, und infolge der unregelmäßigen geometrischen Form der Produkte entstehen zwangsläufig Fehler durch in die Fotoempfänger reflektiertes Licht. Der Aufbau der optisch-optoelektronischen und elektronischen Bauelemente und Grundbaugruppen ist einmal sehr aufwendig, und bei absoluten Schwankungen im optischen Signalpegel arbeiten diese nicht genügend sicher. Desweiteren ist zu verzeichnen, daß bei einer Erfassung von mehreren Wellenlängen ein entsprechend hoher Energieaufwand zur Erzeugung ausreichender optischer Signalpegel erforderlich ist. Bestimmte Verfahren gestatten nur, eine geringe Anzahl von Qualitätsklassen bei begrenzter geometrischer Auflösung der Merkmale zu erfassen und erfordern einen hohen Ausleuchtungsgrad sowie analogen Rechenaufwand.
[0002] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Qualitäts- und Größensortierung zu schaffen, mittels denen die Produkte und Artikel auf einer parabelförmigen Flugbahn mit hoher Geschwindigkeit durch eine fotometrische Meßkammer bewegt werden, die eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung des Auflichtes sowie mehrere optoelektronische Bildwandler zur Aufnahme des vom Hintergrund der fotometrischen Meßkammer oder von den sich durch die Meßkammer bewegenden Produkten remittierten Lichtes enthält und über einen mit Trennmechanismen versehenen Elektronikblock sowie einer Auffangvorrichtung derart verbunden ist, daß eine exakte Trenngenaugikeit einschließlich schonender Sortierung der Produkte nach Größe und Qualität gegeben ist.
[0003] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß durch die Verwendung spezieller Leuchtstofflampen kaum störende Infrarotanteile auftreten, wobei der Infrarotanteil vorzugsweise kleiner als 2% der Gesamtstrahlungsleistung ist, und daß durch deren ringförmige Anordnung in der fotometrischen Meßkammer eine optimale Ausleuchtung erreicht wird. Die mit der fotometrischen Meßkammer in Verbindung stehenden Leuchtstofflampen und optoelektronischen Bildwandler, wie Kameras, sind durch Spezialglas gegen Verschmutzung, Staub und Spritzwasser abgeschirmt und lassen einen Einsatz der Sortiervorrichtung unter extremen Bedingungen zu. Durch die besondere Anordnung der optoelektronischen Bildwandler ist eine verzerrungsarme Aufnahme der Sortiergutoberfläche gegeben, und die Verwendung einer parabelförmig gestalteten Auffangvorrichtung ermöglicht eine schonende Behandlung der Produkte.
Durch einen speziellen Berechnungsalgorithmus ist trotz schwankender Grundhelligkeit der Meßoberfläche eine sichere Fehlererkennung möglich, und außerdem erfolgt gleichzeitig eine Größen- und Formbewertung des Meßobjektes. Die ermittelten Fehler- und Größenklassen können wahlweise ein oder mehreren Trennmechanismen zugeordnet werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- die schematische Darstellung der Zuführeinrichtung mit nachgeordneter fotometrischer Meßkammer, Elektronikblock, Trennmechanismus, Auffangvorrichtung und Abführeinrichtung,
- Fig. 2
- die fotometrische Meßkammer im Schnitt,
- Fig. 3
- eine Seitenansicht nach Fig. 2 und
- Fig. 4
- eine Seitenansicht der fotometrischen Meßkammer mit kegelförmiger Anordnung der mittleren optischen Achsen der optoelektronischen Bildwandler.
[0004] In den Figuren sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Qualitäts- und Größensortierung von Produkten und Artikeln, insbesondere Kartoffeln dargestellt, die eine Zuführeinrichtung 1 mit einer nachgeordneten fotometrischen Meßkammer 2 aufweisen. Die Zuführeinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise als V-förmiges Band gestaltet, auf dem die Kartoffeln 3 auf eine genau definierte Geschwindgkeit gebracht und vereinzelt der fotometrischen Meßkammeer 2 zugeführt werden. Die fotometrische Meßkammer 2 ist mit einem Glaszylinder 4 sowie zwei Beleuchtungseinrichtungen 5 versehen, wobei zweckmäßigerweise eine im oberen und eine im unteren Bereich des Glaszylinders 4 angebracht ist. Am Umfang der fotometrischen Meßkammer 2 befinden sich mehrere Bildwandler 6. Der Glaszylinder 4 läßt das von der Beleuchtungseinrichtung 5 ausgestrahlte Licht durch und dichtet gleichzeitig so ab, daß die Beleuchtungseinrichtung 5 und der optoelektronische Bildwandler 6 bei Arbeiten unter extremen Einsatzbedingungen, speziell in der Landwirtschaft, vor Schmutz, Staub und Nässe geschützt sind. Die der fotometrischen Meßkammer 2 vereinzelt zugeführten Kartoffeln 3 fallen im freien Fall durch den Fallkanal 7 der fotometrischen Meßkammer 2, wo mittels der Beleuchtungseinrichtungen 5, die Licht mit Wellenlängen von 450 5nm, 550 nm und 620 nm ausstrahlen, einmal die gesamte Oberfläche der Kartoffeln 3 und infolge der Anordnung mehrerer optoelektronischer Bildwandler 6 im bestimmten Winkel zur fotometrischen Meßkammer 2 beim Eintreten und Verlassen derselben auch die Polkappen der Kartoffeln 3 erfaßt werden. In Richtung der mittleren optischen Achse 8 der optoelektronischen Bildwandler 6 erfolgt eine zeilenweise Erfassung der Oberfläche der Kartoffeln 3.
[0005] In einem der fotometrischen Meßkammer 2 zugeordneten und mit einem Trennmechanismus 9 in Verbindung stehenden Elektronikblock 10 erfolgt die Bewertung und Berechnung der in der fotometrischen Meßkammer 2 ermittelten Ergebnisse und die Ansteuerung des Trennmechanismus 9, wo mittels eines Luftstrahles oder Wasserstrables die aussortierte schlechte Ware über die Trennkante einer bspw. parabelförmig gestalteten Auffangeinrichtung 11 gefördert wird, ebenso wie die gute Ware auf Bänder 12 oder andere Transport-, respektive Austrageeinrichtungen gelangt. Die parabelförmig gestaltete Auffangeinrichtung 11 bewirkt eine schonende Übergabe der Kartoffeln 3 auf das Band 12.
[0006] Die Erfassung und Bewertung der einzelnen Produkte erfolgt gemäß der Erfindung derart, daß die von den optoelektronischen Bildwandlern (6) erzeugten Datenströme zeilenweise seriellisiert werden, sich ein Datenstrom für die gesamte Meßoberfläche ergibt, eine weitere Schaltung die Referenzwerte einzelner Zeilen miteinander vergleicht und bei entsprechend zu definierender Abweichung eine weitere Fehlerklasse liefert und daß aus dem Datenstrom automatisch für jede Zeile ein Referenzwert gebildet wird, der der Helligkeit der gesunden Meßoberfläche des Produktes entspricht und ein Vergleich zwischen aktuellen Bildpunkten sowie Referenzwerten der vorangegangenen Zeile vorgenommen und eine Kennzeichnung bei Erfüllung des Fehlerkriteriums ermöglicht wird.
Dabei ermittelt eine Auswerteschaltung die Anzahl sowie die Ausdehnung in horizontaler und vertikaler Richtung der gekennzeichneten Fehlerflächen und ordnet diese verschiedenen Fehlerklassen zu, wobei ausgehend vom Datenumfang, der von den optoelektronischen Bildwandlern (6) erzeugten Datenströme sowie deren Vergleich zwischen einzelnen Zeilen eine Formbewertung des Meßprodukts gegeben ist und entsprechend der Anzahl der von den optoelektronischen Bildwandlern (6) erzeugten Datenströme pro Meßprodukt ein größenproportionales Datenwort erzeugt wird, welches eine Größensortierung gewährleistet.
Durch die wahlweise Zuordnung einzelner Fehler- und/oder Größenklassen von Meßprodukten zu einer oder mehreren Austrageeinrichtungen sind zwei, respektive mehrere unterschiedlich zusammengesetzte Fraktionen von Sortiergut trennbar und mittels einer weiteren, nicht linear arbeitenden Schaltung der Zeitpunkt sowie die Dauer der Ansteuerung der Austrageeinrichtungen in Abhängigkeit von der Größe des auszutragenden Meßproduktes bestimmbar.
- daß die fotometrische Meßkammer (2) mit mehreren, ringförmig angeordneten Beleuchtungseinrichtungen (5) und optoelektronischen Bildwandlern (6) versehen ist,
- daß die optoelektronischen Bildwandler (6) so in der fotometrischen Meßkammer (2) angeordnet sind, daß ihre mittleren optischen Achsen den Mantelflächen zweier im Fallkanal (7) spitz aufeinander stehender Kegel angehören, die eine verzerrungsarme Projektion der Polkappen der druchfallenden Produkte ermöglichen, und auf die optoelektronischen Bildwandler (6) im Ruhezustand ein Abbild des hellen Hintergrundes der fotometrischen Meßkammer (2) projiziert wird und daß die Teilflächen des optisch transparenten prismatischen Glaszylinders (4) und der Hintergrund der fotometrischen Meßkammer (2) in den Meßebenen, die nicht auf die optoelektronischen Bildwandler projiziert werden sollen, geometrisch und/oder farblich so gestaltet sind, daß das von ihnen reflektierte Licht, das gebrochen über den Grenzwinkel der Totalreflexion von weiteren Einrichtungen innerhalb der fotometrischen Meßkammer (2) unerwünscht auf die optoelektronischen Bildwandler (6) gelangt, vorzugsweise weniger als 2% des mittleren Meßwertes des den Fallkanal passierenden Produktes beträgt,
- daß die Beleuchtungseinrichtungen (5) aus Gasentladungslampen bestehen, deren Licht mit Wellenlängen von 450 nm, 550 nm und 620 nm ausstrahlbar und dessen Infrarotanteil vorzugsweise kleiner als 2% der Gesamtstrahlungsleistung ist,
- und daß die Beleuchtungseinrichtungen (5) außerhalb einer Meßebene angebracht sind und die einen parabelförmigen Fallkanal (7) bildende fotometrische Meßkammer (2) über einen optisch transparenten prismatischen Körper, wahlweise Glaszylinder (4), staub- und spritzwasserdicht getrennt, aber optisch verbunden ist,
- und daß die fotometrische Meßkammer (2) über einen nachgeordneten, einen oder mehrere Trennmechanismen (9) bewegenden Elektronikblock (10) und einer Auffangeinrichtung (11) in Verbindung steht.
- said photometric measuring chamber (2) is provided with a plurality of annularly arranged illumination means (5) and optoelectronic image converters (6),
- said optoelectronic image converters (6) are arranged in said photometric measuring chamber (2) in such a manner that the mean optical axes belong to the respective surfaces of two cones arranged apex to apex within a vertical-trop channel (7) which ensures a distortion poor projection of the pole caps of the passing products and in that an image of the bright background of the photometric measuring chamber (2) is projected onto the optoelectronic image converters (6) in the state of rest and in that the partial surfaces of an optically transmissive prismatic glass cylinder (4) and the background of the photometric measuring chamber (2) in the measuring planes which are not to be projected onto the optoelectronic image converters are so embodied as to geometry and/or colour that the light reflected by them, and which, after being retracted at the critical angle of the total reflection from further elements within said photometric measuring chamber (2), impinges undesired upon said optoelectronic image converters (6), preferably amounts to less than 2% of the mean value of the products passing the vertical-drop channel,
- in that said illumination means (5) are constituted of gas discharge lamps emitting light at wavelengths of 450 nm, 550 nm, and 620 nm and the infrared portion of which is less than 2% of the entire radiation power,
- and in that said illumination means (5) are provided externally of the measuring planes and in that said photometric measuring chamber (2) which constitutes a parabolic vertical drop channel (7) is rendered dustproof and watertight, but optically connected by an optically transparent prismatic body, which optionally is said glass cylinder (4),
- and in that said photometric measuring chamber (2) is connected via a subsequent electronic block (10) which operates at least one separation mechanism (9) to a catching device (11).
est caractérisé en ce que
- la chambre photométrique (2) est dotée de plusieurs systèmes d'éclairage (5) disposés de manière circulaire, et de convertisseurs optoélectroniques (6),
- les convertisseurs optoélectroniques (6) sont montés dans la chambre photométrique (2) de sorte que leurs axes optiques moyens se trouvent disposés sur les surfaces latérales de deux cônes qui à l'intérieur du tuyau de descente sont superposés de sorte que la pointe du cône supérieur renversé est en contact avec la pointe du cône inférieur ce qui permet d'obtenir une projection sans distorsion des pôles des produits qui descendent par le tuyau, et qu'à l'arrêt du dispositif, l'image du fond éclairé de la chambre photométrique (2) est projetée sur les convertisseurs optoélectroniques (6) et que la géométrie et/ou les couleurs des surfaces partielles du cylindre en verre (4) prismatique et optiquement transparent, et le fonds de la chambre photométrique 2 à la hauteur des niveaux de mesure que l'on ne veut pas projeter sur les convertisseurs optoélectroniques (6) sont conçues de sorte que la lumière réfléchie par ces surfaces et fractionnée par l'angle limite de la réflexion totale d'autres éléments qui est également prise en compte par les convertisseurs optoélectroniques (6) même si cela n'est pas souhaitable, ne représente que moins de 2% de la valeur moyenne mesurée pour le produit au moment de sa descente par le tuyau,
- que les systèmes d'éclairage (5) se composent de lampes luminescentes à gaz dont les ondes lumineuses sont égales à 450 nm, 550 nm et 620 nm et dont la part de la lumière infrarouge représente moins de 2% du rayonnement total,
- que les systèmes d'éclairage (5) sont disposés à l'extérieur d'un niveau de mesure et que la chambre photométrique (2) disposée dans un tuyau de descente parabolique (7) est protégée par un corps prismatique transparent, un cylindre en verre (4) par exemple, qui, optiquement transparent, la rend étanche à la poussière et au jet d'eau,
- que la chambre photométrique (2) est en contact avec les mécanismes séparateurs (9) pilotés par un groupe électronique (10) et avec un dispositif de réception (11).