ParticleMaster

ParticleMaster: интеллектуальная визуализация для характеризации частиц, капель и пузырьков

Системы ParticleMaster компании LaVision представляют собой комплексные решения динамического анализа изображений для измерения размеров, формы, ориентации, скорости, распределения и массового потока отдельных частиц, капель и пузырьков в газовых, жидких и многофазных потоках. Метод основан на высокоувеличенной теневой визуализации с короткоимпульсной подсветкой, позволяющей фиксировать движение объектов без существенного смазывания. В статье рассмотрены принципы работы ParticleMaster, особенности систем ParticleMaster inspex, ParticleMaster inspex online и ParticleMaster Shadow, программное обеспечение для анализа изображений, калибровка глубины резкости DOF, а также промышленные и исследовательские применения в распылении, контроле порошков, цифровом просеивании и многофазных потоках.

Характеризация дисперсных сред является важной задачей в промышленности и научных исследованиях. Размер, форма и скорость частиц, капель или пузырьков часто определяют качество продукции, эффективность технологического процесса и стабильность производственных параметров. Такие задачи возникают при анализе аэрозолей, распыления жидкостей, порошков, гранулятов, пузырьковых потоков, кавитации, расплавов, процессов распылительной сушки, нанесения покрытий и контроля сельскохозяйственного сырья.

Системы ParticleMaster разработаны для прямого оптического измерения параметров отдельных объектов без пробоподготовки. Измерения выполняются in situ, то есть непосредственно в исходной среде исследуемого процесса. Это особенно важно для промышленных линий, где требуется быстрый контроль качества, непрерывный мониторинг и возможность автоматической интеграции измерительной системы в технологический контур.

Методологическая основа ParticleMaster связана с высокоувеличенной теневой визуализацией. Частицы, проходящие между источником подсветки и камерой, формируют теневые изображения на сенсоре камеры. По этим изображениям программное обеспечение определяет геометрические и кинематические параметры объектов, включая диаметр, форму, ориентацию осей, периметр и скорость. При использовании двухкадровой или двойной импульсной регистрации возможно вычисление скорости отдельных частиц и производных величин, таких как средняя скорость, объемный или числовой вклад, плотность частиц и массовый поток.

Принцип высокоувеличенной теневой визуализации

Высокоувеличенная теневая визуализация основана на регистрации теневого изображения частиц, капель или пузырьков, находящихся в измерительном объеме. Измерительный объем задается полем зрения камеры в фокальной плоскости и глубиной резкости оптической системы. При этом система регистрирует преимущественно сфокусированные объекты, расположенные внутри заданного объема наблюдения.

Данный метод не зависит от прозрачности или непрозрачности частиц и может применяться к объектам различной формы и материала. Это делает его универсальным инструментом для измерения капель, твердых частиц, гранул, пузырьков и объектов неправильной формы. В зависимости от оптической конфигурации возможна регистрация частиц диаметром примерно от 4 мкм до нескольких миллиметров. Максимальные скорости частиц могут составлять от 10 м/с до более чем 100 м/с, что достигается за счет применения короткоимпульсной подсветки, включая быстрые лазеры и импульсные LED-источники.

Преимущество метода заключается в том, что оператор непосредственно видит изображение частиц. Это повышает доверие к результатам измерения и позволяет визуально контролировать корректность распознавания объектов. Программное обеспечение автоматически выделяет валидные частицы, рассчитывает их параметры и формирует статистику в режиме реального времени.

Измеряемые параметры

Системы ParticleMaster позволяют измерять широкий набор параметров, относящихся как к отдельным объектам, так и к совокупной статистике дисперсной среды. На уровне индивидуальных частиц определяются размер, форма, ориентация, периметр, положение центра тяжести, длинная и короткая оси, а при соответствующей конфигурации также скорость.

Для статистического описания распределения размеров используются средние диаметры и процентильные показатели, включая D10, D32, Dv10, Dv50 и Dv90. Диаметр D32, или средний диаметр Заутера, особенно важен для анализа распыления, поскольку отражает отношение объема капель к их площади поверхности. Параметры Dv10, Dv50 и Dv90 характеризуют размеры, ниже которых находится соответственно 10, 50 и 90 процентов объема распределения.

Дополнительно формируются гистограммы размеров, диаграммы рассеяния, временные тренды, кумулятивная статистика, абсолютная численная плотность, объемная доля и абсолютный массовый поток. При применении DOF-калибровки эти величины могут быть представлены как физически корректные параметры, связанные с реальным измерительным объемом.

Система ParticleMaster

ParticleMaster является системой динамического анализа изображений DIA, предназначенной для характеризации частиц. Основными компонентами являются камера, высокоувеличительная оптика и короткоимпульсный источник задней подсветки. Конфигурация камеры и объектива подбирается в зависимости от рабочих условий: требуемого рабочего расстояния, увеличения, диапазона размеров частиц и частоты регистрации изображений.

Для остановки движения частиц используются высокоэффективные LED-источники или лазерные импульсы без спеклов. Короткая экспозиция позволяет минимизировать смазывание движущихся частиц и получать резкие теневые изображения. Система может применяться для капель, пузырьков и твердых частиц в широком диапазоне задач.

ParticleMaster включает несколько вариантов реализации. ParticleMaster inspex online предназначен для непрерывной промышленной эксплуатации 24/7 и интеграции в производственные линии. ParticleMaster inspex является настольной лабораторной системой для контроля качества и разработки продукции. ParticleMaster Shadow представляет собой модульную исследовательскую систему, настраиваемую под конкретные научные и инженерные задачи.

ParticleMaster inspex

ParticleMaster inspex разработан для контроля качества в промышленных лабораториях и испытательных средах. Система предназначена для измерения размеров, формы и скорости капель распыла, частиц и зерен. Ее конструкция объединяет преимущества высокоувеличенной теневой визуализации с удобством повседневного лабораторного применения.

Система поставляется готовой к работе, имеет компактную и интегрированную конструкцию, защищена от брызг и безопасна для глаз при работе с LED-подсветкой. Наличие определенного механического интерфейса позволяет интегрировать ParticleMaster inspex в существующие испытательные стенды. Важной особенностью является заводская юстировка и калибровка, благодаря чему пользователю не требуется выполнять самостоятельную калибровку перед началом стандартных измерений.

ParticleMaster inspex обеспечивает in situ визуализацию частиц, не требует пробоподготовки и использует компактные автономные зонды и источники подсветки. Система имеет степень защиты IP54, включает калибровку размера и глубины резкости, а также поддерживает работу с безопасными для глаз LED-источниками.

Заводская калибровка ParticleMaster inspex

ParticleMaster inspex поставляется с заводской калибровкой, включающей калибровку размера, скорости, глубины резкости для определения абсолютной плотности и потока, а также центра измерительной области. Программное обеспечение ParticleMaster автоматически распознает каждый отдельный зонд ParticleMaster inspex и загружает соответствующие калибровочные данные.

Благодаря заводской калибровке зонд может быть быстро заменен другим зондом с высокой воспроизводимостью результатов. Это существенно сокращает время обслуживания и повышает надежность системы при регулярном лабораторном применении.

Компоненты ParticleMaster inspex

Основой каждой системы ParticleMaster inspex являются зонды. Они содержат камеру высокого разрешения и высокоувеличительный объектив в прочном корпусе с защитой от брызг. Заводская юстировка и калибровка позволяют быстро выполнять воспроизводимую настройку.

Зонды выпускаются в вариантах серии S, предназначенных только для измерения размеров, и серии F, которые дополнительно поддерживают измерения скорости за счет двойной экспозиции. Доступны различные рабочие расстояния. Для мелких капель предпочтительно малое рабочее расстояние, тогда как для крупномасштабных распылов или измерений в распылительных камерах более удобны большие рабочие расстояния.

Источник подсветки ParticleMaster inspex flashlight представляет собой безопасный для глаз LED-модуль, оптимизированный для сверхкороткой подсветки. Длительность вспышек может достигать 100 нс, что позволяет замораживать движение большинства частиц. Прочный корпус с защитой от брызг делает источник пригодным для in situ измерений и промышленных условий. Встроенная функция двойного импульса поддерживает измерение скорости для зондов серии F. Режим повышенного тока для максимальной яркости автоматически включается при коротких импульсах.

Контроллер ParticleMaster inspex объединяет вычислительное оборудование, точное управление синхронизацией и необходимые источники питания. Система может быть распакована и приведена в рабочее состояние за несколько минут. Контроллер включает многоядерный процессор, быстрый SSD, HDD большой емкости, блок синхронизации PTU X для управления системой и гибкого запуска, интерфейсы питания для зонда и подсветки, программное обеспечение DaVis для сбора, управления и визуализации данных, а также пакет ParticleMaster для анализа изображений частиц.

ParticleMaster inspex online

ParticleMaster inspex online представляет собой решение для производственного мониторинга частиц. Аппаратное и программное обеспечение оптимизированы для эксплуатации в промышленной среде. Система сочетает динамический анализ изображений с простой конструкцией, пригодной для непрерывного применения.

Система обеспечивает online in situ визуализацию частиц, не требует пробоподготовки, легко интегрируется в технологические линии через смотровые окна процесса и имеет прочную конструкцию датчика со степенью защиты IP67. ParticleMaster inspex online поставляется полностью предварительно откалиброванным на заводе и рассчитан на автоматизированную работу 24/7. Для пищевых производственных зон доступен гигиенический корпус, соответствующий требованиям E 1672-2:2019.

ParticleMaster inspex online состоит из online-зонда, содержащего высокоувеличительную систему визуализации частиц, и online LED-модуля подсветки. Оба компонента монтируются на базовой плите. Доступны четыре модели зондов с разными диапазонами размеров частиц, начиная с 10 мкм или 4 мкм, и различными измерительными возможностями. Модели S измеряют только размер частиц, тогда как модели F дополнительно измеряют скорость потока.

Области применения ParticleMaster inspex online включают контроль качества при производстве распылительных форсунок, online-мониторинг операций распыления, контроль рециркуляции порошкового распыла и избыточного распыления, контроль размера порошков при производстве, а также измерение размеров и контроль качества сыпучих порошков и гранулятов.

Автоматизированный контроль качества

Программное обеспечение LaVision DaVis может быть интегрировано в полностью автоматизированные производственные среды, работающие в режиме 24/7. Настраиваемый интерфейс удаленного управления превращает систему в инструмент испытаний на производственной линии. Работа может выполняться вручную или в составе автоматизированной машины. Интерфейс ускоряет испытания за счет заранее заданных шаблонов операций и автоматического формирования PDF-отчетов.

Удаленный интерфейс Modbus обеспечивает бесшовную интеграцию ParticleMaster inspex в производственные линии. Он позволяет удаленно управлять измерительной системой, выполнять автоматическую работу сенсора и получать доступ к статистике частиц в реальном времени. Это важно для реализации автоматического контроля качества и управления процессом.

Программное обеспечение ParticleMaster Shadow

Все системы ParticleMaster основаны на программной среде DaVis и аналитическом пакете ParticleMaster. ParticleMaster Shadow обеспечивает интерактивное обнаружение частиц и генерацию статистики. Изображения, поступающие непосредственно с камеры или загружаемые из записей, автоматически обрабатываются в фоновом режиме. Оператор может одновременно изменять параметры распознавания и фильтрации, наблюдая немедленное влияние этих изменений на результаты.

Программное обеспечение обеспечивает прямую обратную связь при действиях оператора, обработку live-изображений камеры, пользовательскую настройку интерфейса, экспорт результатов, автоматизированную массовую обработку с использованием функции DaVis hyperloop и подробный анализ каждой обнаруженной частицы или капли.

Частицы, капли и пузырьки распознаются по их теневым изображениям. Параметры обнаружения могут быть оптимизированы по контрасту, яркости и размеру. Любое изменение настроек приводит к немедленному пересчету, что делает процесс настройки интуитивным и сокращает время обучения оператора.

Фильтрация частиц и анализ данных

После обнаружения частиц их вклад в статистику может быть отфильтрован по размеру или морфологии. Изменения фильтра немедленно отражаются на выходных результатах. Временной фильтр позволяет исследовать эволюцию нестационарных явлений, например импульсных распылов.

Диаграммы рассеяния отображают общие тенденции распределения частиц. Дополнительные фильтры классификации упрощают анализ сложных данных. Гистограммы размеров являются одним из наиболее важных результатов измерения. Они могут быть линейными, логарифмическими или соответствовать ситам ISO 565. Вероятность может отображаться по числу частиц или по объему. После применения DOF-калибровки гистограммы могут представлять абсолютную численную и массовую плотность.

Программное обеспечение поддерживает индивидуальные макеты экрана. Окна можно расположить так, чтобы все значимые данные отображались на одном экране. Настройки отображения изображений частиц, гистограмм и диаграмм рассеяния легко изменяются. После настройки пользователь может сохранить конфигурацию с помощью DaVis shelf. Несколько вкладок позволяют быстро переключаться между различными макетами.

Предварительный просмотр теневых изображений позволяет непосредственно анализировать найденные частицы. На изображении могут отображаться площадь тени, центр тяжести, длинная и короткая ось, размер и скорость каждой частицы. Встроенный проигрыватель данных позволяет воспроизводить изображения и наблюдать влияние изменения параметров обнаружения.

Список частиц формируется в фоновом режиме и автоматически обновляется при изменении настроек. Он дает детальную информацию о каждой найденной капле или частице и может быть экспортирован в электронные таблицы для дополнительного анализа.

Расчет скорости и массового потока

При использовании двойной экспозиции в зондах ParticleMaster inspex возможно измерение скорости отдельных частиц. Производными величинами являются средняя скорость, взвешенная по объему или числу частиц, а также массовый поток. Кумулятивная статистика используется для агрегирования данных по отдельным частицам. Она включает средние диаметры, среднюю скорость и массовый поток для систем с двойным импульсом и DOF-калибровкой.

Экспорт снимков экрана и таблиц данных, включая полный список частиц, является частью цепочки обработки. Это позволяет автоматизировать экспорт больших наборов данных с использованием функции DaVis hyperloop.

DOF-калибровка и точность измерений

Метод калибровки глубины резкости DOF является важнейшим элементом высокоточного измерения размеров частиц. Он обеспечивает не только точное определение размера, но и возможность получения истинной статистики частиц, абсолютной численной плотности, объемной доли и абсолютного массового потока.

Частицы, проходящие между источником света и камерой, формируют тени на сенсоре. Частицы в фокальной плоскости имеют высокий контраст и резкость, поэтому их диаметр определяется с высокой точностью. Частицы, расположенные в пределах глубины резкости, но вне фокальной плоскости, становятся более размытыми и имеют меньший контраст. Степень размытия зависит от положения относительно фокальной плоскости и размера частицы. Без соответствующей компенсации определение диаметра сильно зависит от настроек распознавания, что может приводить к отклонениям измеренного размера.

Связь между глубиной резкости и размером частиц вызывает смещение вероятности обнаружения в пользу крупных частиц. При расчете статистики по совокупности обнаруженных объектов это смещение необходимо учитывать. Для корректного анализа трехмерного объема требуется компенсация такого эффекта.

Для вычисления абсолютных величин, связанных с плотностью частиц, необходимо знать физический размер измерительного объема. В программном обеспечении ParticleMaster эта задача решается через DOF-калибровку. В результате статистические данные корректируются и становятся ближе к истинной статистике частиц в исследуемом объеме.

Плотность и массовый поток

DOF-калибровка определяет точный размер измерительного объема для каждого класса размеров частиц. Это позволяет измерять абсолютную численную плотность, объемную долю и абсолютный массовый поток дисперсного потока. Без знания размера измерительного объема эти параметры не могут быть определены корректно.

Системы ParticleMaster inspex поставляются полностью предварительно откалиброванными, тогда как гибкие исследовательские системы ParticleMaster Shadow требуют in situ калибровки. Для этого используется специальная прозрачная калибровочная пластина. Доступен комплект калибровки ParticleMaster, включающий моторизованный столик для полностью автоматизированной DOF-калибровки.

Программное обеспечение ParticleMaster inspex позволяет выполнять автоматизированные DOF-измерения с использованием калибровочного комплекта. Отдельный диалог выполняет калибровку глубины резкости для всех настроек обнаружения, после чего полученные параметры могут применяться в откалибрированной измерительной конфигурации.

ParticleMaster Shadow для исследований

ParticleMaster Shadow предназначен для научно-исследовательских и опытно-конструкторских задач. Такие системы могут быть построены на основе различных камер и лазеров LaVision. Модульный подход обеспечивает гибкость и позволяет модернизировать существующие лазерные системы визуализации.

Исследовательская система ParticleMaster Shadow может проектироваться на основе общего принципа с использованием различных камер, объективов и источников подсветки. Это особенно важно для исследовательских задач, где требуются нестандартные поля зрения, рабочие расстояния, диапазоны размеров и временное разрешение.

Оптика High-Efficiency Diffuser обеспечивает более чем десятикратное увеличение световой эффективности по сравнению со стандартной моделью. Благодаря этому для определения размеров частиц требуется значительно меньшая мощность лазера. Для анализа типичных полей зрения размером несколько миллиметров достаточно лазера с энергией импульса 15 мДж или даже меньше. Встроенная коллимирующая линза оптимизирована для высокоувеличительных применений. Для безопасной работы с лазерным источником предусмотрена лазерная блокировка. В качестве опции доступен волоконно-оптический кабель для удаленного позиционирования коллиматорной головки.

Высокоувеличительная оптика регистрирует теневое изображение из измерительного объема на удаленном расстоянии. Дальнодействующие микроскопические объективы позволяют измерять малые капли и частицы с расстояния до одного метра. Объективы ближней съемки и телецентрические объективы обеспечивают высокое увеличение для самых мелких частиц вплоть до предела оптического разрешения.

Применение в анализе распылов

Распыление является одной из основных областей применения ParticleMaster. Системы используются для анализа капель в распылительных факелах, процессов распыла покрытий, аэрозолей, медицинских спреев и бытовых распылителей.

В процессах окраски и нанесения покрытий качество покрытия зависит от состава материала, конструкции форсунки и рабочих параметров. Online-мониторинг распыления играет важную роль в повышении эффективности и снижении отходов. Контроль избыточного распыла, состава рециркуляции, износа и загрязнения форсунок позволяет корректировать процесс и сокращать простои на обслуживание.

В области homecare, beauty и медицинских спреев свойства распыла зависят от упаковки, дозирующего механизма и состава продукта. Оптическая характеризация распыла помогает оптимизировать процесс на стадии R&D, выполнять QC аэрозольных устройств, ускорять проектирование продуктов, обеспечивать соответствие требованиям безопасности и проводить неинвазивные испытания.

Комплексная цифровая характеризация распыла

ParticleMaster inspex может использоваться совместно с системами SprayMaster inspex для комплексной характеризации распылов. ParticleMaster обеспечивает измерение размеров капель и частиц, а SprayMaster inspex измеряет распределение распыла и геометрию факела. Такие многофункциональные системы предназначены для детальной характеризации распыления при контроле качества, производственном мониторинге и R&D в процессах окраски и нанесения покрытий.

В автомобильных системах впрыска топлива комплексная цифровая характеризация позволяет анализировать распад струи, факел распыла, размер капель и пространственный рисунок распыления. Это важно для оптимизации форсунок и повышения воспроизводимости процессов.

Online-мониторинг производственных процессов

Пищевые продукты, химические вещества, фармацевтические препараты, косметика и строительные материалы часто выпускаются в форме порошков и гранулятов. Производство таких материалов требует постоянного контроля размера и формы частиц. Online-мониторинг продукта и процесса позволяет снижать производственные затраты и обеспечивать стабильное качество.

Мониторинг производства порошков помогает уменьшить затраты, простой и отходы за счет мгновенной индикации состояния процесса, непрерывного контроля качества продукта, online-регулирования параметров производства и немедленного предупреждения о производственных ошибках. Особенно важен такой подход при распылительной сушке и производстве керамических порошков, где распределение размеров является критическим параметром. Для каждой конкретной задачи часто требуется специальная подготовка зонда с учетом особенностей продукта.

Цифровое просеивание

Качество и состав сельскохозяйственного сырья существенно зависят от природных факторов, урожая, погоды, поставщика, сроков сбора и условий обработки. Теневое измерение размеров может использоваться для быстрого цифрового разделения образцов по размеру и форме. Это позволяет определять состав сырья от момента поступления урожая до критических точек технологической цепочки и конечного продукта.

Цифровое просеивание может рассматриваться как оптическая альтернатива или дополнение к механическому ситовому анализу. Оно дает возможность быстрее получать данные о распределении частиц, форме и морфологии, не ограничиваясь только размером ячеек сит.

Связанные методы: глобальное измерение размеров капель

Лазерная визуализация световым листом, применяемая к распылам, позволяет получать мгновенные двумерные карты относительного среднего диаметра Заутера SMD или D32. Каждый снимок представляет двумерное распределение среднего размера капель, показывая динамическое поведение и пространственную структуру развития распыла.

Система ParticleMaster может использоваться как калибровочное устройство для преобразования относительной информации о размере, полученной методом LIF/Mie, в абсолютные значения. В такой схеме сигнал LIF связан с объемом, а сигнал Mie — с поверхностью, что позволяет оценивать D32 при соответствующей калибровке.

Томографическая теневая визуализация многофазных потоков

Томографическая теневая визуализация применяется для реконструкции пузырьков в трехмерном пространстве, а также для определения положений более мелких трассерных частиц, распределенных в жидкой фазе. Разделение фаз выполняется программным фильтром, чувствительным к различию размеров теневых изображений трассерных частиц и пузырьков.

Системы ParticleMaster Tomo-Shadow обеспечивают трехмерную визуализацию на основе томографической теневой регистрации, разделение фаз только по размеру теневого изображения, применение современного алгоритма Shake-the-Box 4D-PTV, измерение формы, размера и скорости пузырьков, определение трехмерного поля скорости и ускорения жидкой фазы, объемное освещение одним источником задней подсветки и представление обеих фаз в единой координатной системе TecPlot.

Мгновенная трехмерная визуализация двухфазного потока позволяет анализировать взаимодействие всплывающих пузырьков и индуцированного поля течения в резервуаре с водой. Томографическая теневая методика масштабируется в пространстве и времени: можно исследовать как большие, так и малые объемы в зависимости от требуемого пространственного разрешения. При использовании высокоскоростных камер частота регистрации может быть увеличена для анализа более быстрых явлений с высоким временным разрешением.

Промышленная интеграция и индивидуальные решения

Промышленные машины оптимизируются под конкретные технологические задачи, поэтому интеграция сенсора или измерительной системы должна выполняться без снижения эффективности процесса. LaVision предлагает модули индивидуальной настройки ParticleMaster inspex для минимизации эксплуатационных рисков и повышения производительности.