Aufrufe
vor 2 Jahren

Industrielle Automation 5/2016

  • Text
  • Industrielle
  • Automation
  • Sensoren
  • Unternehmen
  • Einsatz
  • Industrie
  • Software
  • Sensor
  • Kameras
  • Kamera
Industrielle Automation 5/2016

Der Tropfenkontur auf

Der Tropfenkontur auf der Spur Hochauflösende USB-3.0-Industriekamera ermöglicht präzise Kontaktwinkelmessung Industriekameras mit USB-3.0-Schnittstelle eröffnen für Vision- Anwendungen neue Möglichkeiten, vor allem wenn eine hohe Auflösung, schnelle Frameraten und maximale Lichtempfindlichkeit gefordert sind. Ein Messinstrumente- Hersteller setzt deshalb bei seinen videogestützten Tropfenkonturanalyse-Systemen auf USB-3.0-Kameras. Mit bis zu 200 Bildern pro Sekunde bei 1 200 × 800 Pixel Auflösung lassen sich Benetzungsvorgänge lückenlos erfassen und präzise auswerten. Die Tropfenkonturanalyse bzw. Drop Shape Analysis ist eine Bildanalysemethode zur Bestimmung des Kontaktwinkels aus dem Schattenbild eines liegenden Tropfens und der Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung aus dem Schattenbild eines hängenden Tropfens. Dieses Verfahren ermöglicht das Messen und Auswerten des Benetzungs- oder Haftungsverhaltens von Flüssigkeiten auf Oberflächen und wird sowohl in der industriellen Qualitätssicherung als auch in der Forschung und Entwicklung in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewendet. Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten ist z. B. bei Reinigungsvorgängen oder beim Drucken, Lackieren oder Beschichten interessant; solche Prozesse lassen sich optimieren, indem diese Oberflächenspannung gezielt beeinflusst wird. Die Kontaktwinkelmessung wiederum ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines Festkörpers, der auf den Kontakt mit einer Flüssigkeit vorbereitet wird. Auch diese Benetzbarkeit kann gezielt beeinflusst werden; je nach Anforderung lässt sie sich verbessern (z. B. für die Vorbereitung einer Lackierung) oder aber verringern (bspw. wenn Flüssigkeiten besser abperlen sollen). Konturerkennung mithilfe einer Graustufenanalyse Das Unternehmen Krüss aus Hamburg, Anbieter von Messtechnologien für die Benetzungs- und Beschichtungsanalyse, entwickelt und baut mit seinen Messinstrumenten DSA25, DSA30 und DSA100 universelle Drop Shape Analyzer für die videogestützte Kontaktwinkelmesstechnik und Tropfenkonturanalyse. Die grundlegende Funktionsweise dieser Systeme ist einfach erklärt: Ein Tropfen wird auf eine feste Oberfläche dosiert (Sessile Drop) oder befindet sich an der Spitze einer Nadel (Pendant Drop). Mithilfe einer Kamera wird ein Bild des Tropfens aufgenommen und in eine Bildanalyse-Software übertragen. Anhand einer Graustufenanalyse des Bildes wird zunächst eine Konturerkennung durchge- führt. Im zweiten Schritt wird ein die Tropfenkontur beschreibendes, geometrisches Modell an die Kontur gefittet. Daraus lässt sich der Kontaktwinkel ableiten, der sich aus dem Winkel zwischen der ermittelten Tropfenkontur-Funktion und der Kontaktoberfläche, deren Projektion im Tropfenbild als Basislinie bezeichnet wird, ergibt. Gesteigerter Dynamikbereich und hohe Empfindlichkeit „Bei der Kontaktwinkelmessung muss meist auch die Dynamik der Benetzung erfasst werden, sodass eine Kombination aus hoher Auflösung und hoher Bildrate erforderlich ist. Die nötige Übertragungsperformance erfordert außerdem eine Schnittstelle mit ausreichend großer Bandbreite“, beschreibt Carsten Scheithauer, R&D Manager bei Krüss, die Anforderungen an die eingesetzte Kamera. Das Unternehmen integriert in seine Drop Shape Analyzer deshalb USB-3.0- Industriekameras der USB 3 uEye CP Serie von IDS, u. a. die UI-3060CP Rev. 2 mit dem IMX174 Sensor von Sony. Diese Allround- Industriekamera ist kompakt gebaut und kann entsprechend platzsparend in die Messinstrumente integriert werden. Jeweils ein verschraubbarer Micro-USB-3.0- und Hirose-Anschluss machen die Kamera für professionelle Einsätze sowohl im industriellen als auch nicht-industriellen Umfeld interessant. Sie verfügt über einen integrierten Bildspeicher und ist auf die leistungsstarken CMOS-Sensoren der neuesten Generation ausgelegt. Ein Sensorelement mit Analogspeicher verhindert Focal-Plane-Verzerrungen durch 72 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2016

gleichzeitiges Auslesen aller Pixelsignale. Außerdem wird ein Dual-Frame-Ausgabemodus mit verschiedenen Belichtungszeiten unterstützt. Die Kombination der beiden Bilder steigert den Dynamikbereich bis 73 dB (12-Bit), dazu kommen eine hohe Empfindlichkeit und ein niedriges Ausleserauschen. Dank der hohen Lichtempfindlichkeit des IMX174 CMOS-Sensors kann die eingesetzte Kamera schon wenige Photonen detektieren. In den Drop Shape Analyzern erfassen die Kameras die Benetzungsvorgänge in der Regel mit bis zu 200 Bildern/s bei 1 200 × 800 Pixel Auflösung. Je nach Messaufgabe können die Videos dabei zwischen einer Millisekunde oder mehreren Stunden lang sein. „Für die Untersuchung sehr schneller Vorgänge, zum Beispiel die Benetzung absorbierender Materialien, lässt sich durch eine Reduktion der Bildgröße auf 90 × 60 Pixel eine Framerate von bis zu 2 000 Bilder/s erzielen, wobei die Datenbasis immer noch zu verlässlichen Analysen führt“, schildert Carsten Scheithauer. „Dabei werden alle Bilder der Videos verwendet, da bei unserem Verfahren der Kontaktwinkel permanent ermittelt wird.“ USB-3.0-Schnittstelle mit Zukunft Die hohe Menge an Bildinformationen wird verlustfrei und schnell über die USB-3.0- Schnittstelle in die Krüss Software Advance übertragen, die die Tropfenkonturanalyse vollautomatisch übernimmt. Somit sind objektive, von Benutzereingriffen unabhängige Messdaten gewährleistet. Die Software ordnet bei der Ergebnisdarstellung jedem Messwert das entsprechende Tropfenbild zu und stellt es dar. Das Bild kann jederzeit nachträglich mit anderen Parametern oder Methoden neu ausgewertet werden. Aufwändiges Speichern, Laden und Verwalten von Bilddateien entfällt. Ein Feature ist die ständige Hintergrundaufzeichnung des Kamerabildes. Diese findet auch dann statt, wenn keine Messung läuft. Das Livebild kann somit jederzeit angehalten werden, um den zurückliegenden Zeitraum zu analysieren oder diesen als Videodatei zu speichern. So gehen wertvolle Informationen nicht verloren – etwa wenn zum Benetzungszeitpunkt keine Messung gestar - tet wurde. Die Integration der Kamera in die Krüss- Bildanalyse-Software erfolgt über das uEye API, das Teil des IDS Software Development Kits (SDK) ist und alle Sensorfeatures moderner CMOS-Sensoren unterstützt. Das SDK für Windows und Linux (32- und 64-Bit) ist im Lieferumfang der Kameras von IDS enthalten und für alle Modelle identisch. OEM-Kunden wie das Hamburger Unternehmen profitieren davon doppelt: Zum einen gestaltet sich die Einbindung der Kameras in die eigene Anwendung einfach und zeitsparend, zum anderen ist sie auch modell- und schnittstellen-unabhängig. So ist beispielsweise ein problemloser Modellwechsel jederzeit möglich. Die Applikation muss dann nicht neu programmiert werden, lediglich die kameraspezifischen Parameter gilt es anzupassen. Die USB-3.0-Schnittstelle wird auf dem PC langfristig ein Standard bleiben, denn eine universelle Verfügbarkeit, Plug-and- 01 Die Drop Shape Analyzer kommen für die videogestützte Kontaktwinkelmesstechnik und Tropfenkonturanalyse zum Einsatz 02 Die Tropfenbildanalyse findet live während eines Dosiervorgangs statt Play-Komfort und hohe Datenraten sind Vorteile, die den Erfolg der Schnittstelle auch künftig begründen und für eine entsprechende Weiterentwicklung sorgen werden. www.ids-imaging.de Water-Proof, Future-Proof Erweiterbare IP65/67 Embedded-Kamera IC3 • Robustes IP65/67 Aluminiumgehäuse • Vorinstallierte, erweiterbare EyeVision3-Software • 24 V Versorgung, Gigabit Ethernet, digitale IOs • C-Mount Objektivhalterung mit optionalem IP67 Tubus • Schnelle und komfortable Inbetriebnahme Vision 2016 Halle 1, Stand A32 www.vrmagic-imaging.com 20160927_IC3_185x90mm.indd VRmagic.indd 1 2 28.09.2016 29.09.2016 10:30:51 07:51:06 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2016 73

AUSGABE