Anwendungsberichte

Der Tropfenkontur auf der Spur

Kontaktwinkelmessung mit hochauflösender USB 3.0 Industriekamera

Kontaktwinkelmessung mit hochauflösender USB 3.0 Industriekamera
Industriekameras mit USB 3.0 Schnittstelle sind auf dem Vormarsch. Das Interface baut die Brücke zu den aktuellen CMOS-Hochleistungssensoren, da das „Nadelöhr“ der Schnittstelle entfällt. Damit ergeben sich für viele Vision-Anwendungen neue Möglichkeiten, v.a. wenn hohe Auflösung, schnelle Frameraten und maximale Lichtempfindlichkeit gefordert sind. Auf diese Features kommt es auch dem Messinstrumente-Hersteller KRÜSS an.

Er setzt deshalb USB 3.0 Kameras von IDS in seinen videogestützten Tropfenkontur-analyse-Systemen (Drop Shape Analyzer) ein. Mit bis zu 200 Bildern pro Sekunde bei 1200 x 800 Pixel Auflösung lassen sich damit Benetzungsvorgänge lückenlos erfassen und anschließend präzise auswerten.

Anwendung

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 eben 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.
Drop Shape Analyzer DSA100 für die videogestützte Kontaktwinkel-messtechnik und Tropfenkonturanalyse
Drop Shape Analyzer - DSA100
Auch diese Benetzbarkeit kann gezielt beeinflusst werden; je nach Anforderung lässt sie sich verbessern (z.B. für die Vorbereitung einer Lackierung) oder aber verringern (z.B. wenn Flüssigkeiten besser abperlen sollen).
 
Die KRÜSS GmbH zählt zu den führenden Anbietern von Messtechnologien für die Benetzungs- und Beschichtungsanalyse. Mit ihren Messinstrumenten DSA25, DSA30 und DSA100 entwickelt und baut das Hamburger Unternehmen universelle Drop Shape Analyzer für die videogestützte Kontaktwinkel-messtechnik 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). Mit Hilfe einer Kamera wird ein Bild des Tropfens aufgenommen und in eine Bildanalyse-Software übertragen. Anhand einer Graustufenanalyse des Bildes wird zunächst eine Konturerkennung durchgeführt. 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.
 
„Bei der Kontaktwinkelmessung muss meist auch die Dynamik der Benetzung erfasst werden, so dass 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.

Kamera

USB 3 uEye CP: Klein gebaute USB 3.0 Industriekamera mit verschraubbaren Anschlüssen
USB 3 uEye CP Industriekamera
KRÜSS 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 mit 29 x 29 x 29 mm sehr 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 konsequent auf die leistungsstarken CMOS-Sensoren der neuesten Generation ausgelegt. Dazu zählt z. B. auch der 2,3 MPixel Sensor IMX174 von Sony, der selbst bei hohen Frameraten gestochen scharfe Aufnahmen liefert.

Ein Sensorelement mit Analogspeicher verhindert sogenannte Focal-Plane-Verzerrungen durch gleichzeitiges Auslesen aller Pixelsignale effektiv. 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 besonders niedriges Ausleserauschen.

Tropfenbildanalyse live während eines Dosier-vorgangs
Tropfenbildanalyse live
„Für ein spezielles Verfahren der Kontaktwinkelmessung sind geringes Rauschen und maximale Lichtausbeute besonders wichtig“, so Carsten Scheithauer. Dank der hohen Lichtempfindlichkeit des IMX174 CMOS-Sensors kann die eingesetzte Kamera schon wenige Photonen detektieren.

In den Drop Shape Analyzern von KRÜSS erfassen die Kameras die Benetzungs-vorgänge in der Regel mit bis zu 200 Bildern pro Sekunde bei 1200 x 800 Pixel Auflösung.
 
Je nach Messaufgabe können die Videos dabei zwischen einer Millisekunde oder mehreren Stunden lang sein. „Für die Untersuchung besonders schneller Vorgänge, wie beispielsweise die Benetzung absorbierender Materialien, lässt sich durch eine Reduktion der Bildgröße auf 90 x 60 Pixel eine Framerate von bis zu 2000 Bilder pro Sekunde erzielen, wobei die Datenbasis immer noch zu verlässlichen Analysen führt,“ schildert Carsten Scheithauer die Möglichkeiten der USB 3 uEye CP Kamera von IDS. „Dabei werden alle Bilder der Videos verwendet, da bei unserem Verfahren der Kontaktwinkel permanent ermittelt wird.“

Die enorme 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 besonderes 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. Dadurch gehen wertvolle Informationen nicht verloren – etwa wenn zum Benetzungszeitpunkt keine Messung gestartet wurde.

Software

IDS Software Suite ist für alle IDS Kameras identisch
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, wie z.B. des IMX174 von Sony, unterstützt. Das SDK bzw. die IDS Software Suite für Windows und Linux (32- und 64-Bit) ist im Lieferumfang der Kameras von IDS enthalten und für alle Modelle - egal ob mit USB 3.0, USB 2.0 oder GigE Anschluss - identisch. OEM-Kunden wie KRÜSS profitieren davon doppelt.
 
Zum einen gestaltet sich die Einbindung der Kameras in die eigene Anwendung besonders einfach und zeitsparend, zum anderen ist sie auch modell- und schnittstellen-unabhängig. So ist z.B. ein problemloser Modellwechsel jederzeit möglich. Die Applikation muss dann nicht neu programmiert werden, lediglich die kameraspezifischen Parameter gilt es anzupassen.

Diese Treiberphilosophie von IDS ist ebenso zukunftsorientiert, wie es die USB 3.0 Schnittstelle ist. OEM-Kunden wie KRÜSS können darauf bauen, dass sie auf dem PC langfristig ein Standard bleiben wird, denn eine universelle Verfügbarkeit, Plug&Play-Komfort und hohe Datenraten sind Vorteile, die den Erfolg der Schnittstelle auch künftig begründen und für eine entsprechende Weiterentwicklung sorgen werden.

USB 3 uEye CP - Unglaublich schnell, unglaublich zuverlässig, unglaubliche Sensoren

IDS Industriekamera USB 3 uEye CP Rev. 2
Interface:  USB 3.0
Sensortyp:  CMOS Monochrom
Hersteller:  Sony
Framerate:  166 fps
Auflösung:  1936 x 1216 px
Shutter:  Global-Shutter
Sensorformat:  1/1.2"
Maße:  29 x 29 x 29 mm
Gewicht:  52 g
Schnittstellen-Anschluss:  USB 3.0 Micro-B, verschraubbar
I/O-Anschluss:  8-poliger Hirose-Stecker

Der Kunde Krüss

Krüss ist Spezialist der Grenzflächenchemie und Weltmarktführer für Instrumente zur Messung der Ober- und Grenzflächenspannung. Kunden der hochpräzisen Produktlösungen und wissenschaftlichen Beratung sind vor allem Forschungs- und Entwicklungslabore.

www.kruss.de/de