PROCEDIMIENTO Y MAQUINA AUTOMATICA PARA EXAMINAR Y CLASIFICAR OBJETOS EN FUNCION DE SU ESPESOR.

Procedimiento automático de examen y de clasificación de objetos no metálicos que pertenecen a por lo menos dos categorías distintas y circulan en un grupo sustancialmente monocapa sobre un plano de transporte de una cinta transportadora,

consistiendo sustancialmente dicho procedimiento en someter temporalmente una capa superficial o exterior (4) de dichos objetos (1) a las radiaciones térmicas de por lo menos unos medios de calentamiento remoto (5), de tal modo que se proporcione a cada uno de dichos objetos circulantes (1) un impulso térmico no alterante, que es idéntico para todos los objetos en lo que se refiere a la energía térmica aplicada por unidad de superficie del plano de transporte (2), capturando a continuación por lo menos una imagen térmica de cada uno de dichos objetos mediante por lo menos un sensor térmico lineal o matricial (6), por ejemplo una cámara térmica, ello una vez que ha transcurrido un período de tiempo determinado tras la aplicación del impulso térmico, para clasificar o categorizar a continuación cada objeto circulante (1) en función de los datos contenidos en su imagen o sus imágenes térmica(s) y para proporcionar una señal de control o accionamiento para cada objeto y, por último, para separar los objetos circulantes (1) en función de su clase o categoría y/o la señal de control o accionamiento correspondiente que se ha proporcionado,

procedimiento caracterizado:

porque los datos de la imagen o las imágenes térmica(s) de cada objeto circulante (1) se procesan para realizar una discriminación o una caracterización de los objetos en lo que se refiere al espesor de la capa superficial (4) afectada por las radiaciones, siendo el material constitutivo de dicha capa superficial (4) por lo menos de los objetos circulantes (1) idéntico para todos los objetos,

porque para un objeto determinado (1), el período de tiempo que transcurre entre la aplicación de la radiación o las radiaciones térmica(s) y la formación de la imagen o las imágenes térmica(s) resulta, por un lado, suficiente para obtener una distribución sustancialmente homogénea de la energía térmica absorbida en dicha capa superficial (4), de tal modo que la diferencia de temperatura tras el calentamiento de dichos objetos en la superficie es sustancialmente inversamente proporcional al espesor de dicha capa superficial (4), siendo, por otro lado, suficientemente corta para que los fenómenos de difusión térmica lateral, de enfriamiento por las radiaciones y de convección sean insignificantes

Procedimiento y máquina automática para examinar y clasificar objetos en función de su espesor.

La presente invención se refiere al campo de la caracterización y separación física consecutiva de objetos, artículos, productos o análogos mezclados, más particularmente a la realización de una clasificación automática en tiempo real de un grupo circulante de dichos objetos, artículos y/o productos.

La presente invención tiene como objetivo un procedimiento y una máquina automáticos para el examen y la clasificación objetos no metálicos que pertenecen a por lo menos dos categorías distintas, en particular de espesores distintos.

Ya se conocen numerosos procedimientos y dispositivos para el examen y la clasificación, que utilizan distintos tipos de radiaciones electromagnéticas, y analizan la radiación que se refleja o que pasa en el nivel del grupo de objetos circulantes. Se da a conocer una máquina de este tipo en particular en la patente francesa n.º 2 822 235 y la solicitud de patente n.º WO 02/074452 a nombre de la empresa Pellenc.

Los procedimientos y los dispositivos de caracterización automática del tipo mencionado anteriormente no permiten realizar una diferenciación de objetos o artículos con distintas estructuras pero que presenten en la superficie el mismo material constitutivo.

Además, las zonas de aplicación de las radiaciones y de determinación están asociadas, lo que provoca problemas de espacio debido al hecho de que ambos medios de aplicación de las radiaciones incidentes y de determinación de las radiaciones reflejadas o transmitidas se combinan en un volumen reducido.

Asimismo, aunque dichas soluciones conocidas son de un relativo alto rendimiento, requieren unos tipos particulares de radiaciones y, por lo tanto, emisores y receptores específicos y un coste elevado.

El problema general que plantea la presente invención consiste, por consiguiente, en proponer una solución que permita superar los inconvenientes mencionados anteriormente.

Además, se conocen los principios y determinadas aplicaciones de la termografía, es decir, la tecnología que utiliza la radiación calorífica que emiten los cuerpos.

Un cuerpo a temperatura ambiente emite radiaciones a una longitud de onda próxima a los 10 µm, y aumenta a medida que se calienta. A 300 - 400ºC, emite aproximadamente 5 µm. Se detecta una intensidad, que varía muy rápidamente con la temperatura, y se convierte en una imagen en blanco y negro. Se obtiene de este modo una imagen en la que los objetos más brillantes son los más calientes.

Durante varios años, la tecnología termográfica ha evolucionado radicalmente, principalmente en la banda 3 (de 7 a 12 µm): actualmente se dispone de nuevas generaciones de cámaras con un precio moderado, por ejemplo cámaras de tipo termométrico de microbolómetros, que presentan unas características muy interesantes:

- funcionan sin dispositivos de refrigeración;

- las resoluciones disponibles de temperatura son muy finas, aproximadamente 0.1ºC, e incluso 0.01ºC. Ningún sistema alcanza perfectamente un equilibro térmico, principalmente por las ligeras fluctuaciones de temperatura, el contraste entre los distintos objetos de una escena es satisfactorio;

- las resoluciones espaciales son satisfactorias: 320 × 240 píxeles es un valor habitual;

- los tiempos de respuesta son compatibles con las velocidades de vídeo, es decir 25 imágenes/segundo.

En el contexto de la termografía activa, que es el de la presente invención y considerando que las temperaturas se determinan una vez que los productos a analizar se han sometido al mismo impulso térmico, se conocen ya diversos modos de realización y aplicaciones.

Una aplicación clásica de la termografía es el control de calidad de las soldaduras o de los encolados en metalurgia. La patente US n.º 4.996.426 da a conocer un procedimiento para detectar la presencia de grietas o encolados defectuosos en el interior de materiales laminares, principalmente metálicos. Propone la transferencia de la imagen térmica de la parte (plano) por contacto de un rodillo de espuma polimérica. Los puntos calientes (montaje por reflexión) o los puntos fríos (montaje por transmisión) indican las interrupciones en la conductividad y, por lo tanto, los defectos de continuidad en el material. La determinación es dinámica: el defecto es únicamente visible en una ventana de tiempo corta entre la llegada del flujo térmico al mismo y su desviación completa por dicho mismo flujo. Cuando el calor proporcionado se dispersa homogéneamente en el material, el defecto ya no resulta visible. Se puede extender el procedimiento a la estimación de la profundidad de los defectos, pero la dinámica de respuesta depende entonces de la forma y la naturaleza del defecto.

Para detectar los defectos, la patente US n.º 6.914.678 utiliza asimismo un láser controlado por un sistema de exploración, desplazándose a una velocidad constante por la totalidad de la superficie del objeto a analizar y se examina la temperatura a una distancia determinada y fija de la zona calentada, por lo tanto, tras un período fijo. El documento insiste en el ajuste preciso necesario para dicho período en función del material.

Dichas tecnologías se utilizaron en la década de los años 90 para el control de calidad de productos de madera, tales como las placas de madera contrachapada. En dicha aplicación, los tiempos de transferencia son considerablemente superiores a los necesarios para los metales y el calentamiento de los productos es aproximadamente de 5ºC. El principio, sin embargo, es idéntico, y el defecto deja de ser visible tras la homogeneización de la temperatura en el material. El procedimiento se ha extendido a los productos alimentarios (chocolates de avellanas, caramelos) con la detección de cuerpos extraños que se encuentran en la masa del producto.

La termografía se puede aplicar asimismo a la detección de cuerpos extraños difíciles de distinguir de otro modo. Por ello, la solicitud DE 43 17 513 propone la detección de masas de tierra y de piedras en un grupo de patatas. Es la polarización de las radiaciones térmicas reflejadas que se desarrolla de un modo distinto en función de la densidad de los productos que se están considerando y se determina mediante la reflexión, por lo tanto, al mismo tiempo que el calentamiento.

La termografía se puede utilizar asimismo para determinar los espesores de paredes, tal como se describe en el documento "Metrologie thermique: des materiaux jusqu'aux structures [Metrología térmica: de los materiales a las estructuras]", autor: J. C. Krapez, 23 de Junio de 1999. En dicho documento, se propone determinar el calentamiento tras un impulso térmico en superficie y una estabilización de la temperatura. El procedimiento se califica de lento, ya que se dirige a partes de varios milímetros de espesor. Se proponen otros procedimientos para acelerar la lectura por análisis del perfil de calentamiento temporal, pero suponen capturar y procesar numerosas imágenes térmicas.

Además, se describen otras aplicaciones de termografía en los siguientes documentos:

- GB-A-2 278 440 describe un sistema que permite clasificar productos de naturalezas distintas (diamantes/rocas o gravas) basándose en su poder emisivo respectivo. Su aplicación requiere una temperatura uniforme de los productos antes del tratamiento.

- WO 96/23604 describe un sistema para separar productos realizando un calentamiento preliminar de dichos productos y a continuación una separación de estos últimos basándose en el estado de su temperatura con respecto a unos intervalos predeterminados de temperatura. Sin embargo, dicho documento no especifica en absoluto en qué se basa la discriminación realizada.

- FR-A-2 697 450 da a conocer un procedimiento y un dispositivo de clasificación productos vegetales. El factor discriminante es el nivel de humedad que permite diferenciar los buenos productos (frutas y verduras) de los productos a eliminar (huesos, tallos, partes lignificadas) basándose en su naturaleza (nivel elevado/nivel reducido).

- US-A-2002/0027943 propone un sistema y un procedimiento de clasificación de paquetes que se basa en su naturaleza (material constitutivo). De hecho, se trata de un calentamiento prolongado cuyo coste energético durante su realización resulta inaceptable y no permite un ritmo elevado.

Se deduce del análisis de la técnica anterior que ninguno de los documentos mencionados anteriormente menciona...

1. Procedimiento automático de examen y de clasificación de objetos no metálicos que pertenecen a por lo menos dos categorías distintas y circulan en un grupo sustancialmente monocapa sobre un plano de transporte de una cinta transportadora,

consistiendo sustancialmente dicho procedimiento en someter temporalmente una capa superficial o exterior (4) de dichos objetos (1) a las radiaciones térmicas de por lo menos unos medios de calentamiento remoto (5), de tal modo que se proporcione a cada uno de dichos objetos circulantes (1) un impulso térmico no alterante, que es idéntico para todos los objetos en lo que se refiere a la energía térmica aplicada por unidad de superficie del plano de transporte (2), capturando a continuación por lo menos una imagen térmica de cada uno de dichos objetos mediante por lo menos un sensor térmico lineal o matricial (6), por ejemplo una cámara térmica, ello una vez que ha transcurrido un período de tiempo determinado tras la aplicación del impulso térmico, para clasificar o categorizar a continuación cada objeto circulante (1) en función de los datos contenidos en su imagen o sus imágenes térmica(s) y para proporcionar una señal de control o accionamiento para cada objeto y, por último, para separar los objetos circulantes (1) en función de su clase o categoría y/o la señal de control o accionamiento correspondiente que se ha proporcionado,

procedimiento caracterizado:

porque los datos de la imagen o las imágenes térmica(s) de cada objeto circulante (1) se procesan para realizar una discriminación o una caracterización de los objetos en lo que se refiere al espesor de la capa superficial (4) afectada por las radiaciones, siendo el material constitutivo de dicha capa superficial (4) por lo menos de los objetos circulantes (1) idéntico para todos los objetos,

porque para un objeto determinado (1), el período de tiempo que transcurre entre la aplicación de la radiación o las radiaciones térmica(s) y la formación de la imagen o las imágenes térmica(s) resulta, por un lado, suficiente para obtener una distribución sustancialmente homogénea de la energía térmica absorbida en dicha capa superficial (4), de tal modo que la diferencia de temperatura tras el calentamiento de dichos objetos en la superficie es sustancialmente inversamente proporcional al espesor de dicha capa superficial (4), siendo, por otro lado, suficientemente corta para que los fenómenos de difusión térmica lateral, de enfriamiento por las radiaciones y de convección sean insignificantes.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la discriminación o la caracterización de dichos objetos circulantes (1) se realiza basándose en datos diferenciales o mediante la utilización diferencial de datos, obtenidos tanto a partir de imágenes térmicas tomadas antes y después de la aplicación de las radiaciones térmicas emitidas por los medios de calentamiento (5) como a partir de la imagen térmica simple tomada después de la aplicación.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el impulso térmico afecta a la capa superficial expuesta (4) de cada objeto circulante (1) sobre su superficie entera o en determinadas zonas.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la capa superficial (4) en cuestión para realizar la discriminación o la categorización de los objetos (1) presenta un espesor superior a 20 µm, ventajosamente entre 20 µm y 2 mm, preferentemente entre 30 µm y 1 mm, y porque el período de tiempo que transcurre entre la aplicación de las radiaciones térmicas y la formación de imágenes térmicas es aproximadamente varias décimas de segundo, preferentemente se encuentra comprendido entre 50 ms y 600 ms, más preferentemente entre 250 y 400 ms.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque consiste asimismo en capturar una imagen térmica parcial o total de cada objeto circulante (1) antes de su exposición a las radiaciones de los medios de calentamiento (5), realizándose la discriminación o la caracterización de dichos objetos circulantes (1) basándose den los datos diferenciales obtenidos a partir de dichas imágenes térmicas obtenidas antes y después de la aplicación de las radiaciones térmicas emitidas por los medios de calentamiento (5), capturándose las imágenes antes y después de la exposición mediante el mismo sensor térmico (6) o mediante dos sensores distintos.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el depósito de energía calórica que se obtiene a partir de la aplicación de las radiaciones emitidas por los medios de calentamiento (5) es sustancialmente uniforme y homogéneo sobre toda la superficie expuesta (7) en el nivel del plano de transporte (2).

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el depósito de energía calórica realizado las radiaciones emitidas por los medios de calentamiento (5) es de naturaleza intermitente y se limita a zonas localizadas de la superficie expuesta (7) en el nivel del plano de transporte (2), tales como, por ejemplo, segmentos de líneas o de bandas que se extienden en la dirección de circulación de los objetos o de desplazamiento de la cinta transportadora (3), limitándose opcionalmente a las regiones que corresponden a los objetos circulantes (1).

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la discriminación o la caracterización de cada objeto circulante (1) se realiza basándose en la imagen térmica simple tomada tras la exposición, mediante la utilización diferencial de los datos de las zonas irradiadas y no irradiadas de la superficie y, por lo tanto, de la capa superficial expuesta (4) del objeto en cuestión.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las radiaciones térmicas son radiaciones concentradas, preferentemente de tipo infrarrojo o con una mayor parte de componente infrarrojo, y se proporcionan mediante unos medios de aplicación (8) dispuestos por lo menos a una distancia mínima por encima del plano de transporte (2), en particular por lo menos ligeramente superior a la altura máxima de los objetos circulantes (1).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la parte de las radiaciones térmicas producida por los medios de calentamiento (5) y dirigida hacia el plano de transporte (2) se bloquea mediante una máscara reflectora (5''') de tal modo que el conjunto de radiaciones emitidas por dichos medios de calentamiento (5) se aplique sobre la superficie expuesta (7) del plano de transporte (2) mediante un elemento reflector y concentrador que forme parte de dichos medios de calentamiento (5) y constituya unos medios de aplicación (8).

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque consiste en obtener datos adicionales relacionados con los objetos circulantes (1) mediante por lo menos un sensor adicional (10), seleccionado por ejemplo de entre el grupo constituido por los detectores magnéticos, los espectrómetros y las cámaras de visión en blanco y negro o en color, y porque los resultados de la utilización de dichos datos adicionales se combinan con los resultados de la utilización de los datos contenidos en la imagen o las imágenes térmica(s) para realizar la discriminación o la caracterización de dichos objetos circulantes (1).

12. Máquina automática de examen y de clasificación de objetos no metálicos, que pertenece a por lo menos dos categorías distintas y que circula en un grupo sustancialmente monocapa sobre un plano de transporte de una cinta transportadora, permitiendo realizar por lo menos un tipo de discriminación o caracterización en el nivel de dichos objetos,

comprendiendo dicha máquina (11), por un lado, por lo menos unos medios de calentamiento remoto (5) aptos para someter temporalmente una capa superficial o exterior (4) de dichos objetos circulantes (1) a sus radiaciones térmicas de tal modo que proporcionen a cada uno de dichos objetos circulantes un impulso térmico no alterante, que es idéntico para todos dichos objetos en lo que se refiere a la energía térmica aplicada por unidad de superficie en el plano de transporte (2) y, por otro lado, por lo menos un sensor térmico lineal o matricial (6), por ejemplo una cámara térmica, dispuesta a una distancia determinada en una posición posterior a dichos por lo menos unos medios de calentamiento (5) en la dirección de circulación y apta para capturar por lo menos una imagen térmica de cada uno de dichos objetos y, por último, por lo menos una unidad de procesamiento (12) apta para clasificar o categorizar cada objeto circulante (1) en función de los datos contenidos en su imagen o sus imágenes térmica(s) y para proporcionar una señal de control o accionamiento para cada objeto, conectándose por lo menos una unidad de procesamiento (12) a por lo menos unos medios (13) aptos para separar dichos objetos circulantes (1) en función de su categoría o clase y de la señal de control o accionamiento correspondiente que se ha proporcionado,

máquina caracterizada:

porque la distancia (d) que separa la zona de aplicación de las radiaciones térmicas o de cada una de las radiaciones térmicas, o zona de calentamiento (7), de la zona o cada una de las zonas (7') de obtención de la imagen térmica respectivamente asociada es, por un lado, suficientemente larga para que la energía térmica que se absorbe en a capa superficial (4) del material constitutivo de cada objeto circulante (1) presenta una distribución sustancialmente homogénea en dicha capa y, por otro lado, suficientemente corta para que los efectos de los fenómenos de difusión térmica lateral, de enfriamiento por las radiaciones y de convección sean insignificantes,

porque los datos de la imagen o las imágenes térmica(s) de cada objeto circulante (1) se procesan para realizar una discriminación o una caracterización de los objetos en lo que se refiere al espesor de dicha capa superficial (4), siendo el material constitutivo de la capa superficial (4) por lo menos de los objetos circulantes (1) idéntico para todos los objetos.

13. Máquina según la reivindicación 12, caracterizada porque la unidad de procesamiento (12) realiza la discriminación o la caracterización de dichos objetos circulantes (1) basándose en datos diferenciales o mediante la utilización diferencial de datos, obtenidos tanto a partir de imágenes térmicas tomadas antes y después de la aplicación de las radiaciones térmicas emitidas por los medios de calentamiento (5) como a partir de la imagen térmica simple tomada después de la aplicación.

14. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13, caracterizada porque la cinta transportadora (3) que constituye el plano de transporte (2) presenta una velocidad de desplazamiento constante, y porque dichos por lo menos unos medios de calentamiento (5) y dicho por lo menos un sensor térmico (6) se disponen encima de dicho plano de transporte (2).

15. Máquina según la reivindicación 14, caracterizada porque los medios de calentamiento (5) están constituidos por la asociación, por un lado, de una fuente de radiaciones (5'') de un punto focal tubular o una alineación de fuentes de radiación de puntos focales sustancialmente puntuales o alargados con, por otro lado, un elemento deflector (8) y un elemento concentrador de radiaciones (5'), y porque los dos componentes mencionados anteriormente (5'' y 8) que constituyen dichos medios de calentamiento (5) presentan una extensión perfilada, que se extiende transversalmente hasta una parte sustancial de la anchura del plano de transporte (2), preferentemente sustancialmente sobre toda dicha anchura, y realizan en cooperación mutua un depósito de energía calórica sustancialmente uniforme y homogéneo sobre toda la superficie de una zona de calentamiento (7) en forma de banda del plano de transporte (2) que recibe las radiaciones concentradas.

16. Máquina según la reivindicación 15, caracterizada porque la fuente de radiaciones tubular (5'') consiste en a tubo radiante que comprende una capa o una capa reflectora (5'''), por ejemplo en forma de depósito metálico, sobre la superficie de dicho tubo (5'') que se gira hacia el plano de transporte (2), de tal modo que aproximadamente todas las radiaciones que se emiten se dirigen hacia dicho plano de transporte (2) mediante el elemento deflector y concentrador (8) asociado a dicho tubo radiante (5''), por ejemplo del tipo que emite radiaciones en la zona infrarroja, preferentemente con unas longitudes de onda superiores a 2000 nm.

17. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizada porque el o los sensor(es) térmico(s) (6) realiza(n), para cada objeto circulante (1), una captura de imagen antes y después de la exposición de dicho objeto a las radiaciones térmicas (5') y porque la unidad de procesamiento (12) realiza una discriminación o una categorización de dichos objetos circulantes (1) basándose en datos diferenciales obtenidos a partir de sus imágenes térmicas obtenidas antes y después de la exposición a dichas radiaciones térmicas (5').

18. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque los medios de calentamiento (5) consisten en una fuente de láser (5''), del tipo de emisión continua o intermitente, asociada a un dispositivo de aplicación (8) de exploración bidimensional, siendo el depósito de energía calórica de naturaleza discontinua y limitada a las zonas localizadas de la superficie expuesta (7) en el nivel del plano de transporte (2), tales como, por ejemplo, segmentos de líneas o de bandas que se extienden en la dirección de circulación de los objetos o de desplazamiento de la cinta transportadora (3), limitándose opcionalmente a las regiones que corresponden a los objetos circulantes (1).

19. Máquina según la reivindicación 18, caracterizada porque la unidad de procesamiento (12) realiza una discriminación o una caracterización de cada objeto circulante (1) basándose en la imagen térmica simple obtenida tras la exposición, mediante la utilización diferencial de los datos de las zonas irradiadas y no irradiadas de la superficie (7) y, por lo tanto, de la parte expuesta de la capa superficial (4) del objeto en cuestión.

20. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 18 y 19, caracterizada porque comprende asimismo un dispositivo de localización y de delimitación de la superficie aparente de los objetos circulantes (1) sobre el plano de transporte (2) dispuesto en una posición anterior a los medios de calentamiento (5) en la dirección de circulación, utilizándose los datos obtenidos por dicho dispositivo de localización y de delimitación de la superficie aparente para controlar dichos medios de calentamiento (5) en forma de un conjunto [fuente de láser (5'')/dispositivo de aplicación (8) con exploración].

21. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20, caracterizada porque comprende asimismo por lo menos un sensor adicional (10) que se selecciona de entre el grupo constituido por los detectores magnéticos, los espectrómetros y las cámaras de visión en blanco y negro o en color, y porque los resultados de la utilización de dichos datos adicionales se combinan en la unidad de procesamiento (12) de los resultados de la utilización de los datos contenidos en la imagen o las imágenes térmica(s) para realizar la discriminación o la caracterización de dichos objetos circulantes (1).