Brevet FR2982955A1 — publié le 20130524

PROCEDE ET SYSTEME D'IDENTIFICATION ET DE TRI DE MATIERE BOIS DE RECYCLAGE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte au domaine d'identification et de tri automatiques de matériau à base de bois. Plus particulièrement l'invention concerne l'identification de la composition physico-chimique et le tri de matière de bois de recyclage. [0002] Par bois de recyclage, on entend tous les produits à base de bois dans l'industrie comme des palettes, des caisses et des emballages en bois non peints et non traités, ainsi que du bois propre sans imprégnation de peinture et vernis. Cette première catégorie est classée comme bois de classe A. D'autres produits tels que les branches, la plaquette de bois, les souches, les bois d'étalages et les troncs, les meubles à base de particule de bois tels que les mélaminés (bureau, table, armoire), les charpentes, les portes sans verre avec gonds et poignée,.... sont classés comme bois de classe B. Il existe aussi du bois de déchèterie comme des lits, tables de chevet, lampadaires, portes, fenêtres, volets,... , ainsi que des déchets de chantiers. [0003]A l'heure actuelle, le processus de tri concerne essentiellement les tris des matériaux, en particulier les métaux, des objets en vrac, des papiers imprimés ou des cartons,.... [0004]Un problème est de valoriser des déchets de bois, en provenance de la forêt et des filières environnement, de les trier et de les transformer sous forme d'un combustible biomasse. A ce jour les procédés de traitement des déchets sont réalisés manuellement. [0005]Du fait des prochaines évolutions réglementaires, qui accentueront la demande en énergies renouvelables et imposeront progressivement de plus fortes contraintes dans les procédés de recyclage des déchets et notamment des déchets de bois, la mise en place d'un procédé de traitement des déchets de bois en particulier de bois de recyclage, ainsi que l'élaboration d'un système d'automatisation et d'optimisation, s'avère nécessaire. [0006] Le document WO 2008/110017 porte sur un système et une méthode pour surveiller des caractéristiques de produits en bois. Lesdites caractéristiques du bois et de matériaux similaires, telles que l'orientation moyenne non tassée des fibres dans des matériaux fibreux composites, la teneur en humidité, la densité, l'orientation microfibrillaire, l'espèce du bois et sa résistance, peuvent être évaluées sur la base de mesures faites avec des signaux électromagnétiques térahertz(THZ). [0007] Le document EP 1533045 porte sur un procédé et un ensemble pour séparer des produits en bois et des produits en papier dans un flux continu de déchets solides. Cet ensemble est basé sur une caméra et une identification par spectrographie. Il utilise des lampes émettant dans une plage de longueur d'ondes entre l'infrarouge et l'ultra-violet qui coopèrent avec une caméra CCD ou NIR. [0008] La demande internationale WO 2009/075580 a trait à un procédé et un système pour mesurer et identifier un ou plusieurs objets tels que des cartons/papiers. Le procédé consiste à analyser la lumière réfléchie, dispersée et/ou transmise à partir d'un faisceau laser à travers le matériau ; puis à déterminer le type de matériau. [0009] Le brevet européen EP 1483062 porte sur un système d'identification et/ou de tri d'objets comprenant un dispositif d'avancement pour faire avancer les objets ; un dispositif émetteur de rayonnements pour émettre des rayonnements qui sont modifiés par la matière qui avance, un détecteur servant à détecter les rayonnements modifiés ; et un analyseur servant à analyser les rayonnements modifiés. Ce système comprend un analyseur spectral qui sert à détecter les rayonnements modifiés en une pluralité de bandes de longueur d'onde étroite dans le spectre visible ou invisible de façon à déterminer la couleur et/ou la composition des objets. [0010]La demande de brevet US 20100185319 concerne un dispositif et un procédé pour séparer des objets métalliques, des déchets ménagers, des petits morceaux de verre ou de tout autre matériau en vrac à l'aide d'un dispositif de soufflage munis de buses de soufflage disposées sur une section de chute disposée en aval d'une bande transporteuse. Ledit dispositif est basé sur un système d'émission- réception des rayons X associé à des buses soufflantes. Le tout est géré par un ordinateur. [0011]Cependant les systèmes et les procédés ci-dessus ne sont pas optimisés pour traiter des déchets de bois de recyclage et déterminer de manière objective leurs propriétés physico-chimiques. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à proposer un procédé d'identification et de tri des matériaux à base de bois, de préférence de bois de recyclage, caractérisé par les étapes suivantes : - déterminer des signatures de référence ; - préparer une pluralité d'échantillons de bois de recyclage, lesdits échantillons comprenant plusieurs types de bois ; - exposer lesdits échantillons à au moins une source extérieure de lumière ; - analyser des rayonnements émis suite à l'exposition desdits échantillons à l'aide d'au moins une technique d'analyse : une analyse multi-spectrale des émissions atomiques à plasma spectroscopique ; - recueillir des informations spectrales concernant lesdits échantillons analysés ; - traiter lesdites informations spectrales à l'aide d'au moins d'un algorithme mathématique basé sur l'étude des spectres émis ; - comparer les spectres obtenus avec, lesdites signatures de référence précédemment déterminées ; - déterminer des compositions physico-chimiques desdits échantillons ; - trier lesdits échantillons en fonction du résultat obtenu lors de l'étape de comparaison. [0012] De préférence, les échantillons de bois de recyclage sont utilisés, pour l'étape de préparation, sans traitement préalable. [0013]Avantageusement, la source extérieure de lumière est un faisceau laser avec un temps d'impulsion de quelques nanosecondes et une énergie de l'ordre de quelques milli-joules, de préférence l'énergie est de l'ordre de 6 milli-joules (mj). [0014]Avantageusement, l'étape de traitement comprend une phase de prétraitement afin de supprimer le bruit du à l'acquisition et une phase de traitement pour détecter la présence et la concentration des éléments chimiques inclus dans des échantillons. [0015] De préférence, le traitement des spectres émis est effectué au moyen d'un logiciel intégré à un système informatique. [0016] Avantageusement, le logiciel est adapté pour optimiser le traitement desdites informations spectrales. [0017] De préférence, la comparaison est effectuée par un calcul de similarité 20 entre un spectre de référence et un spectre mesuré. [0018] L'invention concerne en outre, un système d'identification et de tri de matière bois de préférence de bois de recyclage pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus caractérisé par le fait qu'il comprend : un dispositif d'avancement, destiné à faire avancer des échantillons de bois de recyclage, une 25 source de lumière pour focaliser sur les échantillons, un dispositif d'émetteur de rayonnements modifiés par les échantillons qui avancent, un analyseur comprenant des moyens pour analyser des spectres émis par les rayonnements modifiés, un dispositif d'acquisition comprenant des capteurs afin de détecter et d'identifier des composantes chimiques, un système de traitement, pour traiter les spectres identifiés et un dispositif d'éjections comprenant des moyens pour éjecter une partie desdits échantillons. [0019]D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - la figure 1 montre un schéma de principe d'une technologie LIBS utilisée dans le procédé d'identification des échantillons de bois; la figure 2 montre un schéma de principe du système d'identification et de tri des matériaux bois ; la figure 3 montre le spectre des échantillons de bois recouverts d'une peinture blanche ; la figure 4 illustre le spectre des échantillons de bois recouverts de vernis transparent ; la figure 5 illustre le spectre des échantillons de bois recouverts de vernis bleu ; les figures 6A et 6B illustrent le principe d'application d'un filtre moyen et d'un filtre d'érosion ; la figure 7 illustre le calcul de la distance du Chi2 entre un spectre central et deux autres spectres ; la figure 8 montre un tableau de teneur des composants observés dans une biomasse naturelle ainsi que leurs seuils de détection. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0020] Conformément à l'invention, le procédé pour identifier et trier des matières bois de recyclage consiste dans un premier temps, à déterminer des spectres de référence de différentes compositions physico-chimiques des matières. Ces spectres de référence sont utilisés dans la suite du procédé afin de déterminer les compositions chimiques identifiées ainsi que leurs concentrations dans les matériaux de bois de recyclage. [0021]Ensuite une étape de préparation des échantillons consiste à découper différents types de bois de recyclage, déchets de chantier, bois de déchetteries en petite dimension par exemple en carrés de 3 cm par 3 cm. Les différents types de bois ci-dessus sont ici en état brut tel qu'ils se retrouvent dans les déchets et ils ne sont pas traités préalablement. Le procédé est ainsi très facile à mettre en oeuvre puisqu'il n'y a aucun traitement préalable pour la préparation des échantillons. [0022] L'étape suivante consiste à exposer les échantillons ainsi préparés à au moins une source extérieure de lumière. Selon un mode de réalisation préféré une source de lumière monochrome, en particulier un faisceau laser a été choisie. [0023] Le principe de l'analyse des émissions atomiques à p I asm a spectroscopique est illustré sur la figure 1. Il consiste à focaliser sur un échantillon une impulsion lumineuse délivrée par un laser 1. Cette impulsion a une durée typique de quelques nanosecondes pour une énergie de l'ordre de quelques milli-joules. De préférence, dans les exemples, cette énergie est de l'ordre de 6 milli-joules (mj). [0024] En focalisant le laser à l'aide d'au moins une lentille 2 sur l'échantillon, la densité surfacique d'énergie à la surface dudit échantillon devient suffisante pour dépasser son seuil d'ablation. Les échantillons sont donc localement chauffés puis vaporisés par le rayonnement laser, ce qui conduit à la formation d'un micro- plasma. [0025] L'expansion du plasma démarre alors que l'impulsion n'a pas encore disparu ; ainsi la fin de l'impulsion permet de vaporiser les particules éjectées lors du processus d'ablation, mais aussi d'exciter optiquement les espèces atomiques et ioniques contenues dans le plasma. Les ions et atomes qui se désexcitent sont à l'origine de l'émission d'une lumière caractérisée par un spectre de raies, chaque raie correspondant à une transition entre deux niveaux quantiques d'énergie. Un dispositif optique, une lentille de collection 3, collecte la lumière émise qui est analysée à l'aide d'un spectromètre 4. Le spectre couvre la bande 200 - 800 nm, soit l'UV au proche infrarouge. [0026]Chaque élément chimique est donc associé à un spectre de raies caractéristique. L'analyse des mesures permet alors d'identifier les éléments internes du matériau à trier. Autrement dit, le spectre obtenu permet de déterminer la composition physico-chimique de l'échantillon. La synchronisation entre l'acquisition, l'analyse des spectres et le traitement des données est réalisée par un système informatique. [0027]Cette technique d'analyse présente certains nombres d'avantages, en particulier, la rapidité et la simplicité d'obtenir un spectre, la possibilité de faire une analyse multi-élémentaire rapide, 2 à 5 secondes, sans aucune préparation des échantillons, une sensibilité à une grande variété d'éléments, une mesure à distance en fonction de l'optique du laser. De plus, la profondeur analysée est de quelques centaines de micromètres. [0028] Pour exploiter les données mesurées, le système doit obligatoirement être étalonné à l'aide d'échantillons de référence pour lesquels la concentration des éléments chimiques est connue. Des tests sont réalisés sur des échantillons fournis. Les analyses sont faites à l'aide de la technologie LIBS sur des parties d'échantillons colorés, d'échantillons avec un vernis ainsi que sur des parties d'échantillons avec colles. La technologie LIBS (Laser-inducted breakdown spectroscopy) signifie l'analyse multi-spectrale des émissions atomiques à plasma spectroscopique. [0029] Comme l'analyse porte sur une multitude de variétés de matériaux de bois de recyclage avec des compositions différentes, le spectre obtenu est complexe et extrêmement riche en informations. Afin de déterminer les caractéristiques physico-chimiques des éléments composant les échantillons, les spectres obtenus doivent être traités. [0030] On définit deux types de traitement, ceux qui sont chargés d'identifier et /ou de classer les échantillons et ceux qui permettent de calculer la concentration des éléments constituant des échantillons. [0031]Pour identifier et détecter, des grandeurs chimiques, les technologies envisagées sont basées sur l'imagerie et sur des capteurs électroniques. L'exploration de plusieurs technologies est induite par la complexité du problème. Il est envisageable d'utiliser une combinaison de ces techniques. [0032] L'imagerie classique utilise une bande spectrale comprise entre 380 nm et 780 nm, ce spectre est identifié comme spectre visible. Cette approche est insuffisante pour l'identification des impuretés par exemple. Pour pouvoir détecter des signatures spectrales liées aux caractéristiques physico-chimiques de la matière, dans la présente invention, l'imagerie multi-spectrale est préférée. [0033]Pour détecter et identifier des grandeurs chimiques, des capteurs électroniques sont avantageusement utilisés. Ces capteurs détectent un composé ou un élément de composés chimiques. En effet, le signal capturé correspond à une signature (spectre) du ou des composés. Lorsque les échantillons sont soumis à des contraintes, à l'exposition de la lumière laser par exemple, il y a émission d'un signal, le signal est traité et analysé afin de retrouver et identifier les signatures de référence (spectres de référence). [0034]Les figures 3, 4 et 5 présentent des exemples des différents spectres obtenus avec différents types d'échantillons. La figure 3, donne le spectre des échantillons de bois recouverts d'une peinture blanche, dans cet exemple, les conditions d'acquisition du spectre sont les suivantes : Energie : 6 mJ, Diamètre du spot : 50 pm Temps d'exposition de 2 s, Les éléments détectés sont Ti (forte concentration), Al, Ca, Na et Mg. [0035] La figure 4 montre le spectre des échantillons de bois recouverts avec du vernis transparent. Dans cet exemple, les conditions d'acquisition du spectre sont les suivantes : Energie : 6 mJ. Diamètre du spot : 50 pm. Temps d'exposition : 2 s. Les éléments détectés sur le vernis sont : Ca, Na, K, Mg, Si (faible concentration) tandis que, les éléments détectés sur le bois brut sont Ca, Na, K. [0036] La figure 5 montre le spectre des échantillons de bois recouverts avec du vernis bleu avec les conditions d'acquisition des exemples précédents. Les éléments détectés sur le vernis bleu sont : Ti, Ba, Ca, K, Na (faible concentration), Mg (faible concentration), tandis que les éléments détectés sur le bois brut sont : Fe, Na, K, Ba (faible concentration). [0037]Les spectres obtenus correspondent à la répartition des intensités en fonction de la longueur d'onde. L'axe des ordonnées montre la répartition des intensités et l'abscisse montre les différentes longueurs d'onde. Un composant chimique s'identifie donc par la présence d'un ou plusieurs pics pour un ensemble de longueurs d'ondes précis, la concentration d'un composant chimique étant proportionnelle à l'intensité. L'analyse automatique du spectre se passe en deux étapes : une phase de prétraitement afin de supprimer le bruit du à l'acquisition et une phase de traitement pour détecter la présence et la concentration des éléments chimiques inclus dans l'échantillon. [0038] La phase de prétraitement consiste à débruiter le spectre, pour cela des algorithmes de lissage sont mis en oeuvre, il s'agit d'utiliser différents filtres, filtres moyen, filtre médian, filtre érosion, filtre dilatation, sur des voisinages de taille variable (3, 5 ou 7). Le voisinage représente une fenêtre centrée sur la valeur à étudier. La valeur en un point du spectre est alors modifiée en fonction des valeurs des points du spectre du voisinage considéré. Cette modification dépend du type de filtre utilisé. Il est aussi possible de combiner plusieurs filtres. En effet, en utilisant différents filtres on obtient différentes valeurs du voisinage. Pour un filtre moyen, on calcule la valeur moyenne du voisinage. 1+ n/2 x = 1/n xj, avec n taille du voisinage j = i n/2 Avec un filtre Médian, on calcule la valeur médiane du voisinage. 1+ n/2 x = Médian (xj), avec n taille du voisinage j=i n/2 Avec un filtre érosion, on calcule la valeur minimale du voisinage. 1+ n/2 x = Min (xj), avec n taille du voisinage j=i n/2 Avec un filtre dilatation, on calcule la valeur maximale du voisinage. 1+ n/2 x = Max (xj), avec n taille du voisinage j=i n/2 La figure 6A, montre le spectre obtenu après l'application d'un filtre moyen sur un voisinage de taille 3. La figure 6B, montre le spectre obtenu après l'application d'un filtre érosion sur un voisinage de taille 5. [0039] La phase de traitement des spectres se déroule en deux étapes. Tout d'abord, la détection et l'identification des éléments suffisamment significatifs et ensuite le calcul de leur concentration. Pour ce type de traitement, il existe plusieurs techniques dont les techniques les plus performantes sont, la corrélation, l'analyse discriminante, ainsi que la méthode des plus proches voisins. Ces méthodes reposent sur le principe de calcul de similarité entre un spectre mesuré et un spectre de référence, par rapport à un critère qui, en général est défini par une distance. [0040] Les distances classiquement utilisées sont la distance de Minkowski, la distance de Kolmogorov-Smirnov, la distance de Kullback-Leilber ou bien la distance du Chi2. La figure 7 illustre le calcul de la distance du Chi2 entre un spectre central, et deux autres spectres. On remarque que le spectre similaire au spectre central a une distance plus faible. [0041]Les seuils de détection des éléments polluants à détecter sont intégrés dans l'algorithme. Le tableau de la figure 8 illustre la teneur des composants observés dans une biomasse naturelle ainsi que leurs seuils de détection. Si la teneur observée dépasse le seuil critique alors l'élément est détecté, de même si la somme des teneurs est supérieure à une valeur fixée. [0042] Les logiciels intégrant les algorithmes mathématiques pour le traitement et l'identification de caractéristiques physico-chimiques sont optimisés afin que ce traitement soit plus rapide. De même, lesdits logicielles calculent les fonctions de l'analyseur. [0043]La figure 2 illustre un système pour la mise en oeuvre du procédé d'identification et de tri de matière bois présenté ci-dessus, ce système comprend un dispositif d'avancement 20 ou bien un convoyeur destiné à faire avancer des échantillons 10. Les échantillons sont placés sur le convoyeur 20, une source de lumière 30 (un faisceau laser) est focalisée sur lesdits échantillons 10 qui avancent sur le convoyeur. Les rayonnements modifiés sont émis à l'aide d'un émetteur optique vers un analyseur. La fonction de l'analyseur est d'analyser la composition d'un spectre émis. Le dispositif d'acquisition 40 comprend des capteurs électroniques, lesdits capteurs permettant de détecter et d'identifier des composantes chimiques. Et, enfin, un système de traitement 60 pourra traiter les spectres identifiés en utilisant les algorithmes mathématiques basés sur le calcul de coefficients de corrélation entre les spectres de référence et les spectres mesurés, ces traitements permettront de donner un verdict par rapport aux teneurs observées et aux seuils proposés. Un dispositif d'éjection 70 comprenant des moyens pour éjecter une partie desdits échantillons sera placé à la fin de la chaîne de production. Ce dispositif est configuré pour éjecter un échantillon lorsque la teneur observée d'un élément recherché dépasse un seuil proposé dans ledit échantillon. De cette manière, les échantillons sont classés et triés suivant leur typologie et pourront être utilisés pour la construction de produits de qualités différentes. L'analyse des spectres, l'acquisition des données ainsi que le traitement sont synchronisés à l'aide d'un système informatique. [0044]De nombreuses combinaisons techniques peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en 5 fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter. REVENDICATIONS1. Procédé d'identification et de tri de matériau à base de bois, de préférence de bois de recyclage, caractérisé par les étapes suivantes : - déterminer des signatures de référence ; - préparer une pluralité d'échantillons de bois de recyclage, lesdits échantillons comprenant plusieurs types de bois ; - exposer lesdits échantillons à au moins une source extérieure de lumière ; - analyser des rayonnements émis suite à l'exposition desdits échantillons à l'aide d'au moins une des techniques d'analyses : une analyse multi-spectrale des émissions atomiques à plasma spectroscopique ; - recueillir des informations spectrales concernant lesdits échantillons analysés ; - traiter lesdites informations spectrales à l'aide d'au moins un algorithme mathématique basé sur l'étude des spectres émis ; - comparer les spectres obtenus avec les signatures de référence ; - déterminer des compositions physico-chimiques desdits échantillons ; - trier lesdits échantillons en fonction du résultat obtenu lors de l'étape de comparaison. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les échantillons de bois sont utilisés pour l'étape de préparation, sans traitement préalable. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la source extérieure de lumière est un faisceau laser avec un temps d'impulsion de quelques nanosecondes et une énergie de l'ordre de quelques milli-joules, de préférence, l'énergie est de l'ordre de 6 milli-joules (mj). 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de traitement comprend une phase de prétraitement afin de supprimer le bruit du à l'acquisition et unephase de traitement pour détecter la présence et la concentration des éléments chimiques inclus dans des échantillons. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement des spectres émis est effectué au moyen d'un logiciel intégré à un système informatique. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le logiciel est adapté pour optimiser le traitement des informations spectrales. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la comparaison est effectuée par un calcul de similarité entre un spectre de référence et un spectre mesuré. 8. Système d'identification et de tri de matériau à base de bois, de préférence de matières de bois de recyclage pour la mise en ouvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif d'avancement (20), destiné à faire avancer des échantillons de bois de recyclage (10), une source de lumière (30) pour focaliser sur les échantillons, un dispositif d'émetteur de rayonnements modifiés par les échantillons qui avancent, un dispositif d'acquisition (40) pour obtenir des informations spectrales, un analyseur comprenant des moyens pour analyser des spectres émis par les rayonnements modifiés, un dispositif d'acquisition comprenant des capteurs afin de détecter et d'identifier des composantes chimiques, un système de traitement (60), pour traiter les spectres identifiés et un dispositif d'éjections (70) comprenant des moyens pour éjecter une partie desdits échantillons (10).25