3D PartAn: 3D Partikelgrößen- und Formanalyse für Labor und Prozess

Das Verfahren ist im Analysegerät PartAn 3001 angewendet. In beeindruckender Weise ist es möglich, im selben Gerät die 3D- der 2D-Technik gegenüberzustellen. Der Messaufwand ist gleich, jedoch die Aussagekraft bei 3D wesentlich höher.Im Labor als auch im Prozess zu nutzen.

Meilensteine der dynamischen Bildanalyse

Die Geschichte der 2D - Methode

Das seit 1987 eingesetzte PartAn System setzt in diesem Bereich neue Maßstäbe. 1987 wurden  die ersten dynamischen Bildanalysesysteme online eigesetzt. Mit einer DOS Software und 3 Bildern je Sekunde wurden Granulationsanlagen in der Düngemittelindustrie überwacht und konnten durch die direkte Information zur Partikelgröße und Form auch in Echtzeit gesteuert werden. Schon dieses war seinerzeit ein Meilenstein in Punkto Bildanalyse. Durch die kontinuierliche Zusammenarbeit mit Anwendern und die daraus resultierende kundennahe Weiterentwicklung etablierte sich das PartAn - System zum Markführer in der der Onlinemessung mittels dynamischer Bildanalyse. Die robuste Bauart und benutzerfreundliche Software sorgten weltweit für zufriedene Anwender. Im nächsten Schritt wurde aus dem Online - System ein robustes Labormessgerät. Mit der Entwicklung des Autosamplers setzte der PartAn auch hier wieder neue Maßstäbe, die anderen Herstellern als Vorbild galt.

Mit 3D Partikelanalyse einen bedeutenden Schritt voraus

Seit 2009 arbeiteten die Hard- und Softwareentwickler des PartAn mit Hilfe der neuen schnelleren Rechnerkapazitäten an einer 3D - Messung und Auswertung des Messgutes. Dieses „PartAn 3D“  -Messverfahren bringt es 2010 zur Marktreife und revolutioniert den Bereich der dynamischen Bildanalyse erneut. Der Anwender bekommt ein sehr genaues Bild seiner Partikel. Im freien Fall werden die sich drehenden Partikel mit einer Frequenz von bis zu 120 Bildern je Sekunde mehrfach in unterschiedlichen Lagen aufgenommen und in Echtzeit ausgewertet. Die hochauflösende Kamera sorgt für gestochen scharfe Abbildungen der einzelnen Partikel, die von der PartAn Software im 3D - Modus bewertet werden.

Herkömmliche dynamische Bildanalyse Systeme nutzen hier lediglich ein einziges Bild pro Partikel, egal ob mit einer oder mehreren Kameras gemessen wird. Selbst bildgebende Messsysteme mit mehreren Kameras erreichen nicht die Auflösung der patentierten 3D PartAn 3001 Generation.

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Abb. 1: Eine Makkaroni auf dem Messtisch. Länge mit Schieblehre vermessen.

Vergleich von 2D / 3D anhand von Beispielen

Ergebnisse im Vergleich der 2D zur 3D Messung sprechen hier eine deutliche Sprache.

Längenverteilung im Vergleich

Im folgenden Beispiel wurden Makkaroni mit beiden Methoden gemessen.

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Abb. 2: Gegenüberstellung der 2D - zur 3D – Analysemethode in der Längenverteilung

Am eindrucksvollsten lässt sich die Richtigkeit der gemessenen Längenverteilung mit einer Schieblehre überprüfen (Abb. 1). Die Länge der hier gezeigten Makkaroni liegt zwischen 9,3 und 11,8 mm. Die Grafik unten (Abb. 2) zeigt die Längenverteilung der 2D - und 3D -Methode. Der Test im 2D – Software Modus (grüne und rote Summenkurve) wiederlegt erst einmal die Annahme, dass mehr Bilder je Sekunde grundsätzlich genauere Ergebnisse liefern. Zweitens wird deutlich, dass der 3D - Modus Längenverteilung exakt widergibt.  Bei 2D liegt die Verteilung zwischen
5,4 und 12 mm, bei 3D zwischen 9 und 12 mm!

Bei der 3D - Messung werden die Partikel bis zu 8-fach in unterschiedlichen Orientierungen aufgenommen. Bei diesem Verfahren ist die Wahrscheinlichkeit, das Partikel in der längsten Ausdehnung zu messen, sehr hoch. Bei der „Einpunkt“ - Messung der 2D - Methode wird das frei fallende Partikel nur einmal aufgenommen und ausgewertet. Die Wahrscheinlichkeit mit 2D bei den unterschiedlichen Lagen der Partikeln eine zu kurze scheinbare Länge zu erfassen ist hoch. 

Damit erklärt sich die drastische Verschiebung zu kleineren Dimensionen in der Längenverteilung der 2D – Methode. Dies führt zu einer signifikant in den Feinbereich verschobenen Verteilung.

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Abb. 3: Beispiel Makkaroni: Gegenüberstellung der Breitenverteilung der 2D – und 3D – dynamischen Bildanalyse

Breitenverteilung im Vergleich

Betrachtet man die Breitenverteilung, ergibt sich das gleiche Phänomen in entgegengesetzter Richtung; ein Mittelwert aller in 2D gemessenen Breiten resultiert in einer Verschiebung in den Grobbereich der Verteilung, während die 3D - Messung die tatsächliche Verteilungsbreite widerspiegelt (Abb. 3).

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Abb. 4: Münzen im freien Fall. In mehreren Orientierungen abgebildet.

Das nächste Beispiel (Abb. 4) zeigt mehrere Münzen im freien Fall. Wie zu erkennen drehen sich die Münzen sehr unregelmäßig.  Selbst die 3D – Methode gibt hier keine 100 - prozentige Aussage zur Dicke aller Münzen. Die 2D - Methode jedoch nutzt nur ein Bild dieser frei fallenden Münzen zur Bestimmung der Länge, Breite, Fläche und/oder Umfang.

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Abb. 5: Granulat in verschiedenen Lagen abgebildet.

2D/3D - Vergleich am Beispiel Länge und Dicke  von Granulaten

Min 3D = 1,976  Max 3D = 4,484 MaxL 3D = 4,63

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Abb. 6: Längenverteilung von Granulaten, gemessen 2D bzw. 3D.

Diese Beispiele lassen sich beliebig fortsetzen und zeigen den Quantensprung der 3D -  Methode gegenüber der herkömmlichen dynamischen Bildanalyse.

Fazit

Das patentierte 3D PartAn - Messverfahren bietet dem Anwender bei zeitlich gleichem Messaufwand ein qualitativ und quantitativ exakteres Ergebnis.

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Abb. 7: Breitenverteilung von Granulaten, gemessen mit 2D bzw. 3D.

Die sehr gute Annahme der 3D PartAn Systeme im Markt bestätigen den eingeschlagenen Weg. Die Einsatzgebiete der 3D PartAn Systeme erstecken sich vom Steinbruch (hier werden Partikel bis zu 120 mm gemessen) bis hin zur Qualitätskontrolle, Forschung und Entwicklung im Bereich der Lebensmittel- Chemie- und Pharmazeutischen Industrie.

Die einfache Handhabung garantiert den problemlosen Einsatz bei der täglichen Routine in der Qualitätskontrolle.