Hochgeschwindigkeits-Bildanalyse kleinster Partikel in Echtzeit

Präzise Materialanalyse ist entscheidend für Qualität und Prozesssicherheit. Mit der dynamischen Bildanalyse und ultraschnellen Industriekameras lassen sich Millionen Partikel in Sekunden erfassen – für exakte Daten in Echtzeit und optimierte Produktionsentscheidungen. 

In vielen Industrien – von der Pharma- und Lebensmittelindustrie bis hin zu Baustoffen, Biotechnologie und Umweltwissenschaften – spielt die präzise Materialanalyse eine zentrale Rolle. Ob zur Qualitätssicherung oder zur Vorhersage des Materialverhaltens, die genaue Charakterisierung von Partikeln ist entscheidend. Dabei sind Entwicklungslabore, Materialforschungsinstitute und Prüfeinrichtungen mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert: Partikel können in Form und Herkunft stark variieren – sei es Pulver, Flüssigkeit, Tablette, Sand, Mikroplastik oder Pigment. Um diese Vielfalt zu analysieren, müssen Labore einen Balanceakt zwischen Präzision, Effizienz und praktischen Anforderungen meistern. Besonders wichtig sind Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, denn bereits kleinste Abweichungen in der Partikelgrößenverteilung – oft im Mikro- oder Nanometerbereich – können erhebliche Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben. 

Gleichzeitig erfordert der hohe Durchsatz in Produktionsumgebungen eine schnelle Analyse zahlreicher Proben, ohne Einbußen bei der Messqualität. 

Hier setzt die dynamische Bildanalyse (DIA) an. Diese innovative Technologie ermöglicht es, in Echtzeit eine Vielzahl von Parametern zur Bestimmung von Partikelgröße und -form zu erfassen. „Dynamische Bildanalyse hat sich als praktikable F&E- und Qualitätskontrollmethode in verschiedenen Branchen bewährt. Dabei werden Partikel während ihres Flusses durch eine Messzelle mittels Hochgeschwindigkeitskameras oder anderer bildgebender Sensoren erfasst und anschließend softwaregestützt analysiert“, erklärt Christian Moitzi, Research & Development bei der Anton Paar GmbH. Das österreichische Unternehmen hat sich auf die Partikelcharakterisierung spezialisiert. Die dafür vom Unternehmen entwickelten Geräte sind so konzipiert, dass sie Hochgeschwindigkeitsbilder von Partikeln in Bewegung aufnehmen können.  

Zu den wichtigsten Komponenten eines ihrer erfolgreichen dynamischen Bildanalysatoren gehören neben Probenkammer und Beleuchtungssystem eine uEye Warp10 Hochgeschwindigkeitskamera von IDS Imaging Development Systems GmbH. 

„Mit der Litesizer DIA-Serie lassen sich Größe und Form von Partikeln durch die direkte Analyse der Partikelbilder einfach und zuverlässig charakterisieren. Mit dem leistungsfähigsten Gerät der Serie, dem Litesizer DIA 700, können Partikelgrößen von 0,5 Mikrometern bis 16 Millimetern gemessen werden“, unterstreicht Christian Moitzi. Tausende oder sogar Millionen von Partikeln können während einer Messung in Sekundenschnelle visualisiert werden. Durch die hohe Bildrate und die schnelle Datenübertragung ist es möglich, eine unübertroffen hohe Anzahl an Partikeln innerhalb kurzer Messzeit abzubilden und in Echtzeit auszuwerten. 

1 Mio. Partikel für Fehler unter 1 Prozent 

„Es beginnt mit der Vorbereitung einer repräsentativen Probe. Diese Probe kann aus verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus Pulvern, Granulaten, Suspensionen oder sogar aus biologischen Präparaten wie Zellen. In der Regel werden mehr als eine Million Partikel benötigt, um einen maximalen Fehler von unter einem Prozent zu erreichen. Die Probenzuführung erfolgt mit einer von drei austauschbaren Dispergiereinheiten, was sowohl die Messung von trockenen Pulvern als auch von Dispersionen ermöglicht“, so Dr. Moitzi.  

Die Probe wird in einer Kammer platziert, in der sie kontinuierlich bewegt oder dispergiert wird. Verschiedene Mechanismen wie Vibration, Luftstrom oder Flüssigkeitszirkulation können eingesetzt werden, um die Partikel in Bewegung zu halten. Die Partikel, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30 m/s durch das Bildfeld bewegen, werden stroboskopartig beleuchtet. Um Bewegungsunschärfe zu vermeiden, ist der Beleuchtungspuls kürzer als 100 Nanosekunden. Die Vergrößerung kann durch den automatischen Wechsel von drei Objektiven eingestellt werden. 

Herausforderung Hochgeschwindigkeitsverarbeitung 

„Große Datenmengen müssen in Echtzeit verarbeitet werden“, nennt Christian Moitzi eine wichtige Anforderung an das System. Die Aufnahme einer Bildsequenz in der gefragt hohen Bildfrequenz übernimmt die mit Hilfe des IDS peak SDK integrierte 10GigE Vision Hochgeschwindigkeitskamera und ermöglicht so die schnelle Abbildung und Charakterisierung einer großen Zahl von Partikeln.  

Neben der Geschwindigkeit sind Schnittstelle und Sensor ausschlaggebend für die Auswahl des Kameramodells. Die uEye Warp10 mit integriertem Sony IMX537 Global-Shutter CMOS-Sensor liefert alles, was die anspruchsvolle Aufgabe erfordert: hohe Auflösung, hohe Bildwiederholraten und eine rauschfreie Bildwiedergabe.  

Ausleserauschen und Dunkelstrom gehören dabei zu den niedrigsten Werten im gesamten Sensormarkt. Mit ihrer Auflösung von 5,10 MP (2472 x 2064 px) bei 220 fps eignet sich die Kamera besonders für Anwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind. Die hohe Auflösung sorgt dafür, dass auch kleinste Details erfasst werden. 

„Im Vergleich zu 1GigE Kameras erreicht die uEye Warp10 eine bis zu 10-fach höhere Übertragungsbandbreite. Zusammen mit der Kombination aus hoher Auflösung und hohem Dynamikbereich präsentiert sich die GV-79F0WP also als ultra-schneller schlagkräftiger Allrounder“, beschreibt Marcus Rembold, Product Owner 2D Cameras bei IDS, das eingesetzte Kameramodell. Die robusten, GenICam-konforme uEye Warp10 Kamera kann Bildinformationen im Gigabit-Ethernet-basierten Netzwerk quasi ohne Delay weiterleiten. Damit spielt sie ihre Stärken genau bei Inspektionsaufgaben wie dieser aus, wo Objekte in allen Details und ohne Bewegungsunschärfe aufgenommen und analysiert werden sollen.  

Hochentwickelte Bildanalysealgorithmen 

„Die Kamerabilder werden an den PC übertragen, dort segmentiert und verschiedene Größen- und Formparameter jedes einzelnen Teilchens berechnet“, erklärt Christian Moitzi die weiteren Schritte der Bildverarbeitung. „Das Herzstück von DIA liegt in der Analyse der aufgenommenen Bilder. Hochentwickelte Bildanalysealgorithmen und Software werden eingesetzt, um die Bilder zu verarbeiten und relevante Informationen über die Partikel zu extrahieren. Der Benutzer erhält, praktisch in Echtzeit, gemittelte Größenverteilungsfunktionen als Ergebnis. Er hat jedoch auch die Möglichkeit, einzelne Teilchen zu analysieren und Bilder von Teilchen mit speziellen Eigenschaften aus der Gesamtheit zu filtern.“ 

Beispiel Baustoffindustrie 

Die untersuchten Parameter bieten detaillierte Einblicke in die Eigenschaften und das Verhalten einer Materialprobe. Dies können Schüttguteigenschaften wie Dichte, Fließfähigkeit, Ballistik und andere sein. Nützliche Informationen für Branchen wie beispielsweise die Baustoffindustrie. „Die Qualität von Zement hängt stark von der Größe und Form seiner Partikel ab, die sich auf seine Oberfläche, Druckfestigkeit und Aushärtungszeit auswirken“, sagt Christian Moitzi. Zu feine Partikel verursachen ein exothermes Abbinden des Endprodukts, während zu große Partikel nicht vollständig hydratisieren. Die Fließfähigkeit und der Wasserbedarf von Zement können zwischen regelmäßigen (kugelförmigen) und unregelmäßigen Partikeln drastisch variieren. Diese Faktoren können zu Rissbildung, Schwindung oder Porosität führen und somit die Qualität, Haltbarkeit und mechanischen Eigenschaften des Zements stark beeinträchtigen.  

Highspeed-Kamera optimiert Prozesse und Qualität 

Die Investition in ein Dynamisches Bildanalysegerät wie den Litesizer DIA 700, das mit einer ultraschnellen, extrem hochauflösenden 10GigE-Industriekamera ausgestattet ist, zahlt sich langfristig aus. Dank der schnellen Bildverarbeitung und präzisen Analyse in Echtzeit werden Prozessabläufe optimiert und Produktionsentscheidungen auf einer besseren Datenbasis getroffen. Eine genauere Partikelcharakterisierung ermöglicht eine bessere Prozesssteuerung und einen optimierten Materialeinsatz — etwa durch exaktere Dosierung und die Reduktion fehlerhafter Chargen. Die Verfügbarkeit dieser Hochgeschwindigkeits-Kameratechnologie und schneller Bildverarbeitung macht die dynamische Bildanalyse zu einer besonders attraktiven, zukunftsfähigen Alternative gegenüber traditionellen Methoden wie der Laserbeugung. 

Autorin: Silke von Gemmingen, IDS Imaging Development Systems GmbH, Obersulm 

Bilder: Anton Paar GmbH, Graz; IDS Imaging Development Systems GmbH