Análisis de imágenes de alta velocidad de las partículas más pequeñas en tiempo real

Aquí es donde entra en juego el análisis dinámico de imágenes (DIA). Esta innovadora tecnología permite registrar un gran número de parámetros para determinar el tamaño y la forma de las partículas en tiempo real. "El análisis dinámico de imágenes ha demostrado ser un método viable de I+D y control de calidad en diversas industrias. Las partículas se registran a medida que fluyen a través de una célula de medición mediante cámaras de alta velocidad u otros sensores de imagen y, a continuación, se analizan mediante software", explica el Dr. Christian Moitzi, de Investigación y Desarrollo de Anton Paar GmbH. Esta empresa austriaca está especializada en la caracterización de partículas. Los dispositivos desarrollados por la empresa para este fin están diseñados para captar imágenes de alta velocidad de partículas en movimiento. Los componentes más importantes de uno de sus exitosos analizadores dinámicos de imágenes incluyen una cámara de alta velocidad uEye Warp10 de IDS Imaging Development Systems GmbH, además de la cámara de muestras y el sistema de iluminación.

"Con la serie Litesizer DIA, el tamaño y la forma de las partículas pueden caracterizarse de forma fácil y fiable analizando directamente las imágenes de las partículas. El aparato más potente de la serie, el Litesizer DIA 700, puede medir tamaños de partículas de 0,5 micrómetros a 16 milímetros", subraya el Dr. Moitzi. Miles o incluso millones de partículas pueden visualizarse en cuestión de segundos durante una medición. Gracias a la alta frecuencia de imagen y a la rápida transmisión de datos, es posible obtener imágenes de un número inigualable de partículas en un breve tiempo de medición y analizarlas en tiempo real.

1 millón de partículas por errores inferiores al 1%

"Comienza con la preparación de una muestra representativa. Esta muestra puede consistir en diversos materiales, por ejemplo, polvos, granulados, suspensiones o incluso preparados biológicos como células. Por regla general, se necesitan más de un millón de partículas para lograr un error máximo inferior al uno por ciento. Las muestras se introducen utilizando una de las tres unidades de dispersión intercambiables, lo que permite medir tanto polvos secos como dispersiones", explica el Dr. Moitzi.

La muestra se coloca en una cámara en la que se mueve o se dispersa continuamente. Para mantener las partículas en movimiento pueden utilizarse diversos mecanismos, como la vibración, el flujo de aire o la circulación de fluidos. Las partículas, que se desplazan por el campo de imagen a una velocidad de hasta 30 m/s, se iluminan como si fueran estroboscopios. Para evitar el desenfoque de movimiento, el pulso de iluminación es inferior a 100 nanosegundos. El aumento puede ajustarse cambiando automáticamente tres lentes.

El reto del procesamiento a alta velocidad

"Hay que procesar grandes cantidades de datos en tiempo real", afirma Christian Moitzi, citando un requisito importante del sistema. La cámara de alta velocidad 10GigE Vision integrada con ayuda del SDK IDS peak graba una secuencia de imágenes a la alta frecuencia de imagen requerida y permite así observar los rápidos movimientos de las partículas.

Además de la velocidad, la interfaz y el sensor son decisivos para la elección del modelo de cámara. La uEye Warp10 con sensor CMOS con global shutter Sony IMX537 integrado ofrece todo lo que requiere esta exigente tarea: alta resolución, altas frecuencias de imagen y reproducción de imágenes sin ruido. Los valores de ruido de lectura y corriente residual se sitúan entre los más bajos del mercado. Con su resolución de 5,10 MP (2472 x 2064 px) a 247 fps, la cámara es especialmente adecuada para aplicaciones en las que se requieren altas velocidades. La alta resolución garantiza la captura de hasta el más mínimo detalle.

En comparación con las cámaras 1GigE, la uEye Warp10 multiplica hasta por 10 el ancho de banda de transmisión. Junto con la combinación de alta resolución y alto rango dinámico, la GV-79F0WP se presenta como un todoterreno ultrarrápido y potente", afirma Marcus Rembold, Product Owner 2D Cameras en IDS, al describir el modelo de cámara utilizado. La robusta cámara uEye Warp10, compatible con GenICam, puede reenviar la información de imagen en la red basada en Gigabit Ethernet prácticamente sin retardo. Por tanto, muestra sus puntos fuertes precisamente en tareas de inspección como ésta, en las que los objetos deben grabarse y analizarse con todo detalle y sin desenfoque de movimiento.

Sofisticados algoritmos de análisis de imágenes

"Las imágenes de la cámara se transfieren al PC, donde se segmentan y se calculan diversos parámetros de tamaño y forma de cada partícula individual", explica Christian Moitzi sobre los siguientes pasos del procesamiento de imágenes. "El corazón de DIA reside en el análisis de las imágenes captadas. Se utilizan sofisticados algoritmos de análisis de imágenes y software para procesar las imágenes y extraer información relevante sobre las partículas. El usuario recibe como resultado, prácticamente en tiempo real, funciones de distribución de tamaños promediadas. Sin embargo, también tiene la opción de analizar partículas individuales y filtrar imágenes de partículas con propiedades especiales del conjunto".

Ejemplo de industria de materiales de construcción

Los parámetros analizados proporcionan información detallada sobre las propiedades y el comportamiento de una muestra de material. Puede tratarse de propiedades del material a granel como la densidad, la fluidez, la balística y otras. Información útil para sectores como la industria de materiales de construcción. "La calidad del cemento depende en gran medida del tamaño y la forma de sus partículas, que afectan a su superficie, su resistencia a la compresión y su tiempo de curado", explica Christian Moitzi. Las partículas demasiado finas provocan el fraguado exotérmico del producto final, mientras que las partículas demasiado grandes no se hidratan completamente. La fluidez y las necesidades de agua del cemento pueden variar drásticamente entre partículas regulares (esféricas) e irregulares. Estos factores pueden provocar agrietamiento, contracción o porosidad y, por tanto, perjudicar gravemente la calidad, la durabilidad y las propiedades mecánicas del cemento.

Perspectiva

Invertir en un analizador de imágenes dinámico como el Litesizer DIA 700, equipado con una cámara industrial ultrarrápida de 10 GigE de altísima resolución, resulta rentable a largo plazo. Gracias al rápido procesamiento de imágenes y al análisis preciso en tiempo real, las secuencias del proceso se optimizan y las decisiones de producción se toman sobre la base de mejores datos. Una caracterización más precisa de las partículas permite un mejor control del proceso y una utilización optimizada del material, por ejemplo mediante una dosificación más precisa y la reducción de lotes defectuosos. La disponibilidad de esta tecnología de cámaras de alta velocidad y el rápido procesamiento de imágenes hacen del análisis dinámico de imágenes una alternativa especialmente atractiva y de futuro a métodos tradicionales como la difracción láser.