Informes de aplicación

Rastreando la forma de la gota

Medición de ángulos de contacto con una cámara industrial USB 3.0 de alta resolución

Medición de ángulos de contacto con una cámara industrial USB 3.0 de alta resolución
Las cámaras industriales con interfaz USB 3.0 están de moda. Esta interfaz se comunica perfectamente con los potentes sensores CMOS de última generación y elimina los cuellos de botella que se venían produciendo hasta la fecha. Esto abre nuevas posibilidades para la visión artificial, particularmente en aquellas aplicaciones que requieren alta resolución, frecuencias de imagen elevadas y máxima sensibilidad lumínica. Estas características son clave para KRÜSS, el fabricante de instrumentos de medición de alta precisión.
 
Por eso utiliza cámaras USB 3.0 de IDS en sus sistemas de videoanálisis de la forma de las gotas. Una resolución de 1200 x 800 píxeles y una frecuencia de imagen de 200 fps permiten capturar los procesos de mojado sin ningún tipo de interrupción para después analizarlos al detalle.

Aplicacion

El análisis de forma de gota es un método de análisis para determinar el ángulo de contacto a partir de la imagen de la sombra de una gota sésil de líquido y la tensión superficial o tensión superficial interfacial de la imagen de la sombra de una gota colgante. Este método permite medir y analizar el comportamiento humectante y adhesivo de un líquido sobre una superficie, lo cual se utiliza tanto para aplicaciones de aseguramiento de la calidad como para actividades de I+D en las industrias química y farmacéutica.
 
Por ejemplo, la tensión superficial de los líquidos es un factor importante en aplicaciones de limpieza, impresión, pintura y recubrimiento. Influir en esta tensión para que sea la óptima permite mejorar dichos procesos. La medición del ángulo de contacto, por su parte, es una medida clave para determinar el grado de mojabilidad de un sólido por un líquido. Y también aquí se puede influir deliberadamente en esta propiedad. Dependiendo de los requerimientos específicos, se puede aumentar (p. ej., para preparar una pintura) o reducir (p. ej., para que los líquidos resbalen mejor).
Drop Shape Analyzer DSA100 para la medición de ángulos de contacto por medio de vídeo
Drop Shape Analyzer - DSA100
KRÜSS GmbH es un proveedor líder de tecnologías de medición para el análisis de las propiedades de mojabilidad y recubrimiento. Con sus instrumentos de medición DSA25, DSA30 y DSA100, esta compañía con sede en Hamburgo desarrolla y construye analizadores universales de gotas para la medición de ángulos de contacto por medio de vídeo.
 
El funcionamiento básico de estos sistemas se puede explicar en términos relativamente sencillos: se coloca una gota sobre una superficie sólida (gota sésil) o en la punta de una aguja (gota colgante). Mediante una cámara se captura una imagen de la gota, y a continuación se transfiere la imagen a un software de procesamiento de imágenes. Para la detección inicial del contorno se realiza un análisis en escala de grises de la imagen. El segundo paso es aplicar el modelo geométrico que mejor se ajuste al contorno definido. Esto permite determinar el ángulo de contacto, que viene dado por el ángulo entre la función calculada de la forma de la gota y la superficie de contacto. Su proyección sobre la imagen de la gota es lo que se denomina "línea base".
 
«La medición del ángulo de contacto requiere normalmente capturar la dinámica del proceso de mojado, lo que hace esencial una resolución y una frecuencia de imagen muy elevadas. La velocidad de transmisión requerida hace también imprescindible una interfaz con el ancho de banda suficiente», comenta Carsten Scheithauer, director de I+D de KRÜSS.

Cámara industrial

USB 3 uEye CP: cámara industrial compacta USB 3.0 con conexiones roscadas
USB 3 uEye CP cámara industrial
Scheithauer resume de este modo las prestaciones que tiene que cumplir la cámara utilizada en los analizadores de gotas, y por eso KRÜSS ha optado por las cámaras industriales USB 3 uEye CP de IDS, incluida la UI-3060CP Rev. 2 con sensor IMX174 de Sony.
 
Esta cámara industrial todoterreno presenta un diseño compacto de tan solo 29 x 29 x 29 mm, que permite integrarla en equipos de medición donde el espacio es un bien escaso. Los conectores micro USB 3.0 roscadas y Hirose hacen de esta cámara una opción ideal para cualquier tipo de aplicación profesional y entorno industrial.

Cuenta con memoria integrada y se ha diseñado específicamente para su uso con la última generación de sensores CMOS de alto rendimiento. Uno de ellos es el sensor de 2,3 megapíxeles IMX174 de Sony, que entrega imágenes ultra nítidas incluso a altas frecuencias de imagen. Un elemento sensor con memoria analógica evita eficazmente la distorsión del plano focal leyendo simultáneamente todas las señales de píxel. Soporta también el modo de salida dual-frame con diferentes tiempos de exposición.
Análisis visual de la gota en tiempo real durante el dispensado
Análisis visual de la gota en tiempo real
La combinación de ambas imágenes incrementa el rango dinámico a 73 dB (12 bits), a lo cual hay que añadir una elevada sensibilidad y un ruido de lectura extremadamente bajo. «Para procesos tan especializados como la medición del ángulo de contacto, el bajo nivel de ruido y la máxima eficiencia lumínica son características fundamentales», comenta Carsten Scheithauer. Gracias a la alta sensibilidad lumínica del sensor CMOS IMX174, la cámara puede detectar incluso unos pocos fotones.
 
En los analizadores de gotas de KRÜSS las cámaras capturan generalmente los procesos de mojado a una frecuencia de hasta 200 fotogramas por segundo, con una resolución de 1200 x 800 píxeles. Dependiendo de la tarea de medición, la duración de los vídeos puede ir desde unos pocos milisegundos hasta varias horas enteras. «Para investigar procesos tan rápidos como el mojado de un material absorbente, se puede lograr una frecuencia de hasta 2000 fotogramas por segundo reduciendo el tamaño de la imagen a 90 x 60 píxeles; y aún así los datos obtenidos permiten realizar análisis fiables,», añade Scheithauer para destacar las posibilidades que ofrece la cámara USB 3 uEye CP de IDS. «Nosotros utilizamos todos y cada uno de los fotogramas del vídeo, puesto que con nuestro método el ángulo de contacto se mide permanentemente.»

La interfaz USB 3.0 transfiere a alta velocidad y sin que se produzca ninguna pérdida el enorme volumen de datos de imagen al software KRÜSS ADVANCE, donde el análisis de forma de gota se realiza de modo completamente automático. Esto garantiza datos de medición completamente objetivos, sin intervención del usuario. Cuando presenta los resultados, el software asigna la imagen de gota correspondiente a cada valor de medición y lo muestra.
 
La imagen puede volver a analizarse en cualquier momento utilizando otros parámetros o métodos. Además, con este sistema no se pierde tiempo almacenando, cargando y administrando archivos de imagen, puesto que la imagen de la cámara se graba ininterrumpidamente en segundo plano, una prestación realmente única. Este proceso también tiene lugar cuando no se está realizando ninguna medición. La imagen en vivo puede por tanto detenerse en cualquier momento para analizar el periodo anterior o para guardarse como archivo de vídeo. Esto impide que se pierda información valiosa, por ejemplo porque no se ha iniciado ninguna medición en el momento en que se produce el mojado.

Software

El paquete IDS Software Suite es idéntico para todas las cámaras IDS y posibilita el intercambio de cámaras dentro de toda la gama de modelos de IDS, incluso con interfaces distintas.
IDS Software Suite: idéntico para todas las cámaras IDS
La cámara se integra en el software de análisis de imágenes de KRÜSS a través de la API de uEye, incluida en el Software Development Kit (SDK) de IDS y compatible con todas las prestaciones de los sensores CMOS más modernos, como el IMX174 de Sony. El paquete de software de la cámara IDS incluye las versiones para Windows y Linux (32 y 64 bits) y es el mismo para todos los modelos, independientemente de si cuentan con un puerto USB 3.0, 2.0 o GigE.
 
Esto aporta una doble ventaja a los clientes OEM de IDS, como es el caso de KRÜSS. En primer lugar permite integrar la cámara en el sistema de forma extremadamente fácil y rápida. En segundo, es compatible con todos los modelos y tipos de interfaz. Esto significa que los cambios, por ejemplo de modelo de cámara, se pueden hacer en cualquier momento sin complicación ninguna. La aplicación no necesita ser reprogramada, sino que solo es necesario ajustar los parámetros específicos de la cámara. Esta filosofía de diseño de controladores de IDS está pensada al largo plazo, como la interfaz USB 3.0. Los clientes como KRÜSS cuentan con la seguridad de saber que este estándar tiene aún un largo recorrido en el campo de la informática, dado que su disponibilidad universal, la instalación plug&play y la elevada velocidad de transferencia de datos son ventajas que garantizan su éxito también en el futuro.

USB 3 uEye CP - Increíblemente rápido, increíblemente fiable, sensores increíbles

IDS cámara industrial USB 3 uEye CP Rev. 2
Interfaz:  USB 3.0
Tipo de sensor:  CMOS Mono
Fabricante:  Sony
Frecuencia de imagen:  166 fps
Resolución (h x v):  1936 x 1216 px
Shutter:  Global Shutter
Clase óptica:  1/1.2"
Dimensiones:  29 x 29 x 29 mm
Peso:  52 g
Conexión de interfaz:  USB 3.0 Micro-B, atornillable
Conexión I/O:  Conector Hirose de 8 polos

Cliente: KRÜSS

KÜSS es una empresa especializada en química interfacial y el proveedor más importante del mundo de instrumentos de medición de tensión superficial e interfacial. El grueso de clientes usuarios de soluciones y productos de alta precisión y asesoramiento científico lo configuran principalmente laboratorios de investigación y desarrollo.

www.kruss.de