Les caméras haute vitesse au service de la caractérisation de particules
L'analyse dynamique des images de caméras à haute vitesse permet d'enregistrer en temps réel un grand nombre de paramètres pour déterminer la taille et la forme des particules. Les appareils d’Anton Paar s’appuie sur cette technologie et les caméras d’IDS pour assurer la caractérisation de particules en mouvement.
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Dans de nombreuses industries - de l'industrie pharmaceutique et alimentaire aux matériaux de construction, en passant par la biotechnologie et les sciences environnementales - l'analyse précise des matériaux joue un rôle central. Que ce soit pour l'assurance qualité ou pour prédire le comportement des matériaux, la caractérisation précise des particules est essentielle. Dans ce contexte, les laboratoires de développement, les instituts de recherche sur les matériaux et les installations d'essai sont confrontés à une multitude de défis : Les particules peuvent varier considérablement en termes de forme et d'origine, qu'il s'agisse de poudre, de liquide, de comprimés, de sable, de microplastiques ou de pigments. Pour analyser cette diversité, les laboratoires doivent trouver un équilibre entre précision, efficacité et exigences pratiques. La précision et la reproductibilité sont particulièrement importantes, car même les plus petits écarts dans la répartition des tailles de particules - souvent de l'ordre du micron ou du nanomètre - peuvent avoir des conséquences considérables sur les propriétés des matériaux. En même temps, le débit élevé dans les environnements de production exige une analyse rapide de nombreux échantillons, sans détériorer la qualité de mesure.
Échantillons représentatifs de poudres sèches avant la mesure
C'est là qu'intervient l'analyse dynamique des images (DIA). Cette technologie innovante permet d'enregistrer en temps réel un grand nombre de paramètres pour déterminer la taille et la forme des particules. "L'analyse dynamique d'images a fait ses preuves en tant que méthode viable de R&D et de contrôle qualité dans différents secteurs. Les particules sont saisies pendant leur passage dans une cellule de mesure au moyen de caméras à haute vitesse ou d'autres capteurs d'imagerie, puis analysées à l'aide d'un logiciel", explique le Dr Christian Moitzi, Research & Development chez Anton Paar GmbH. L'entreprise autrichienne s'est spécialisée dans la caractérisation des particules. Les appareils développés à cet effet par l'entreprise sont conçus pour prendre des images à grande vitesse de particules en mouvement. Parmi les principaux composants de l'un de leurs appareils d'analyse d'images dynamiques à succès, on trouve, outre la chambre à échantillons et le système d'éclairage, une caméra ultrarapide uEye Warp10 de IDS Imaging Development Systems GmbH.
Analyseur d'images dynamique Litesizer DIA 700
"Avec la série Litesizer DIA, la taille et la forme des particules peuvent être caractérisées de manière simple et fiable grâce à l'analyse directe des images. L'appareil le plus performant de la série, le Litesizer DIA 700, permet de mesurer des particules de 0,5 micromètre à 16 millimètres", souligne le Dr Moitzi. Des milliers, voire des millions de particules peuvent être visualisées en quelques secondes pendant une mesure. Grâce à la haute fréquence d’acquisition des images et à la transmission rapide des données, il est possible de visualiser un nombre inégalé de particules avec une analyse en temps réel.
Plus les particules peuvent être caractérisées, plus il est facile de prédire le comportement des matériaux.
1 million de particules pour les erreurs inférieures à 1 pour cent
"Tout commence par la préparation d'un échantillon représentatif. Cet échantillon peut être composé de différents matériaux, par exemple des poudres, des granulés, des suspensions ou même des préparations biologiques comme des cellules. En règle générale, plus d'un million de particules sont nécessaires pour atteindre une erreur maximale inférieure à un pour cent. L'alimentation en échantillons se fait par l'une des trois unités de dispersion interchangeables, ce qui permet de mesurer aussi bien des poudres sèches que des dispersions", explique le Dr Moitzi.
Le Litesizer DIA réunit 3 unités de dispersion dans un analyseur d'images dynamique
L'échantillon est placé dans une chambre dans laquelle il est continuellement agité ou dispersé. Différents mécanismes tels que la vibration, le flux d'air ou la circulation de liquide peuvent être utilisés pour maintenir les particules en mouvement. Les particules, qui se déplacent dans le champ de vision à une vitesse pouvant atteindre 30 m/s, sont éclairées de manière stroboscopique. Pour éviter le flou de mouvement, l'impulsion d'éclairage est plus courte que 100 nanosecondes. Le grossissement peut être réglé par le changement automatique de trois objectifs.
Le défi du traitement à grande vitesse
"De grandes quantités de données doivent être traitées en temps réel", cite Christian Moitzi comme une exigence importante pour le système. L'acquisition d'une séquence d'images à fréquence élevée est prise en charge par la caméra de vision à haute vitesse 10GigE intégrée à l'aide de l'IDS peak SDK et permet ainsi d'observer les mouvements rapides des particules.
Outre la vitesse, l'interface et le capteur sont déterminants pour le choix du modèle de caméra. La caméra uEye Warp10 avec capteur CMOS Sony IMX255 Global-Shutter intégré fournit tout ce que cette tâche complexe requiert : une haute résolution, des taux d’acquisition élevés et une reproduction d'image sans bruit. Ses valeurs de bruit de lecture et de bruit noir figurent parmi les plus basses de tout le marché des capteurs. Avec sa résolution de 5,10 MP (2472 x 2064 px) à 220 ips, la caméra est particulièrement adaptée aux applications nécessitant des vitesses élevées. La haute résolution permet de saisir les moindres détails.
Caméra de vision industrielle ultrarapide 10GigE uEye Warp10
Comparé aux caméras 1GigE, ce modèle uEye Warp10 atteint une bande passante de transmission jusqu'à 10 fois plus élevée. Avec la combinaison d'une haute résolution et d'une plage dynamique élevée, la GV-7090WP se présente donc comme une caméra polyvalente ultra-rapide et puissante", explique Marcus Rembold, Product Owner 2D Cameras chez IDS, pour décrire le modèle de utilisé. La caméra uEye Warp10, robuste et conforme à la norme GenICam, peut transmettre des images sur un réseau Gigabit Ethernet, quasiment sans latence. Elle montre ainsi ses points forts précisément dans des tâches d'inspection comme celle-ci, où les objets doivent être enregistrés et analysés dans tous leurs détails et sans flou de mouvement.
Algorithmes d'analyse d'image avancés
"Les images de la caméra sont transmises au PC, où elles sont segmentées et où différents paramètres de taille et de forme sont calculés pour chaque particule ", explique Christian Moitzi à propos des autres étapes du traitement. "Le cœur de DIA réside dans l'analyse des images. Des algorithmes d'analyse et des logiciels sophistiqués sont utilisés pour traiter les images et extraire des informations pertinentes sur les particules. L'utilisateur obtient, pratiquement en temps réel, des fonctions de distribution de taille moyennées comme résultat. Mais il a aussi la possibilité d'analyser des particules individuelles et de filtrer des images de particules ayant des propriétés spéciales parmi l'ensemble".
Exemple de l'industrie des matériaux de construction
Les paramètres étudiés offrent un aperçu détaillé des propriétés et du comportement d'un échantillon de matériau. Il peut s'agir de propriétés de produits en vrac comme la densité, la fluidité, la balistique et autres. Informations utiles pour les secteurs tels que l'industrie des matériaux de construction. "La qualité du ciment dépend fortement de la taille et de la forme de ses particules, qui ont un impact sur sa surface, sa résistance à la compression et son temps de durcissement", explique Christian Moitzi. Des particules trop fines provoquent une prise exothermique du produit final, tandis que des particules trop grosses ne s'hydratent pas complètement. La fluidité et la demande en eau du ciment peuvent varier radicalement entre les particules régulières (sphériques) et les particules irrégulières. Ces facteurs peuvent entraîner la formation de fissures, le retrait ou la porosité, ce qui affecte fortement la qualité, la durabilité et les propriétés mécaniques du ciment.
Perspectives
L'investissement dans un analyseur d'images dynamique tel que le Litesizer DIA 700, équipé d'une caméra industrielle 10GigE ultra-rapide et à très haute résolution, s'avère payant à long terme. Grâce au traitement rapide des images et à l'analyse précise en temps réel, les flux de processus sont optimisés et les décisions de production sont prises sur la base d’un jeu de données fiable. Une caractérisation plus précise des particules permet un meilleur contrôle du processus et une utilisation optimisée des matériaux - par exemple grâce à un dosage plus précis et à la réduction des lots défectueux. La disponibilité de cette technologie à grande vitesse et d'un traitement d'image rapide fait de l'analyse d'image dynamique une alternative particulièrement attrayante et viable par rapport aux méthodes traditionnelles comme la diffraction laser.
Caméra
uEye Warp10 - caméra industrielle 10GigE ultra-rapide et à très haute résolution
Modèle utilisé: GV-79F0WP-M-GL
Famile de cameras: uEye Warp10
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