Industrielle Automation 5/2016

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
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