Der Tropfenkontur auf der Spur

Mit bis zu 200 Bildern pro Sekunde bei 1200 x 800 Pixel Auflösung lassen sich damit Benetzungsvorgänge lückenlos erfassen und anschließend 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 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. 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 Analyser 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 Bildanalysesoftware 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 Tropfenkonturfunktion und der Kontaktoberfläche, deren Projektion im Tropfenbild als Basislinie bezeichnet wird, ergibt. „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.

Krüss integriert deshalb in seine Drop Shape Analyser USB-3.0-Industriekameras der Serie USB 3 uEye CP 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 nichtindustriellen 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. „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 Analysern von Krüss erfassen die Kameras die Benetzungsvorgänge 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 Bildern pro Sekunde erzielen, wobei die Datenbasis immer noch zu verlässlichen Analysen führt“, schildert Carsten Scheithauer die Möglichkeiten der Kamera USB 3 uEye CP 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. Aufwendiges 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.

Die Integration der Kamera in die Krüss-Bildanalysesoftware 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 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 schnittstellenunabhängig. So ist z. B. ein problemloser Modellwechsel jederzeit möglich. Die Applikation muss dann nicht neu programmiert werden, lediglich die kameraspezifischen Parameter gilt es anzupassen.

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