Die Dynamische Bildanalyse (DIA) ist eine moderne Methode zur Partikelanalyse von Größenverteilungen und Formparametern. Sie ermöglicht schnelle Analysen mit höchster Präzision und Reproduzierbarkeit über einen sehr weiten Messbereich. Mit dem bekannten CAMSIZER-System entwickelte Microtrac bereits vor über 20 Jahren sein erstes Bildanalysegerät und hat sich seitdem als Technologieführer etabliert.
- Messbereich: 0.9 µm - 8 mm
- Trocken- und Nassmessung von Pulvern und Suspensionen
Hintergrundinformationen zum Funktionsprinzip und den Vorteilen der dynamischen Bildanalyse
- Messbereich: 20 µm - 30 mm
- Trockenmessung von Granulaten und Schüttgut
- Messbereich: 30 µm - 5 mm
- Trockenmessung von Granulaten und Schüttgut
- Messbereich: 160 µm - 135 mm
- Geeignet für besonders große Partikel
- Messbereich: 30 µm - 30 mm (ONLINE) / 160 µm - 135 mm (ONLINE XL)
- Online-System zur Prozessintegration mit Probenzuführungsgeräten von Drittanbietern
Einführung in die dynamische Bildanalyse (DIA)
In vielen Anwendungsbereichen sind Korngrößen- und Kornforminformationen wichtige Prozess- und Qualitätsindikatoren. Durch die dynamische Bildanalyse gemäß ISO 13322-2 ist es unmittelbar möglich, diese wichtigen Eigenschaften des Probengutes detailliert und repräsentativ zu analysieren.
Bei der dynamischen Bildanalyse wird ein Probenstrom erzeugt, welcher von einem Kamerasystem erfasst und analysiert wird. Die Partikel befinden sich während der Aufnahme also in Bewegung. In den meisten Fällen wird bei der dynamischen Bildanalyse der Partikelstrom von einer Seite von einer Lichtquelle beleuchtet und die Partikelbilder als Schattenprojektionen aufgezeichnet. Dabei bewegen sich die Partikel entweder im freien Fall (bei rieselfähigen Granulaten), in einer Flüssigkeit oder in einem Luftstrom, der bei agglomerierten Pulvern für eine Vereinzelung der Partikel sorgt.
Besonders bei der letzten Variante sind kurze Belichtungszeiten und hohe Aufnahmeraten erforderlich, um während der Messung genügend Partikeldetektionen zu erreichen und Bewegungsunschärfe zu verhindern. Eine Partikelmessung mit dynamischer Bildanalyse dauert üblicherweise 1-5 Minuten und erfasst je nach Probe in der Regel einige zehntausend bis viele Millionen Partikel.
Statische und Dynamische Bildanalyse im Vergleich
Der entscheidende Unterschied zwischen statischer und dynamischer Bildanalyse liegt darin, dass sich bei der statischen Bildanalyse, ähnlich wie z. B. bei einem Mikroskop, die Partikel auf einem Träger befinden und während der Aufnahme nicht relativ zur Kamera bewegen.
Die statische Bildanalyse (ISO 13322-1) wird eher für enge Größenverteilungen verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der genauen Charakterisierung von sehr feinen Partikeln liegt. Diese Methode bietet eine hohe Auflösung und liefert exzellente Partikelaufnahmen, die eine Größen- und Formbeschreibung von höchster Genauigkeit ermöglichen. Die statische Bildanalyse wird tendenziell eher im Bereich Forschung und Entwicklung eingesetzt.
Die Dynamische Bildanalyse ist andererseits ideal für die routinemäßige Charakterisierung von Schüttgütern, Pulvern, Granulaten und Suspensionen geeignet. Diese Methode zeichnet sich durch hohen Probendurchsatz, geringe Fehleranfälligkeit und hervorragende Reproduzierbarkeit aus.
Statische Bildanalyse (ISO 13322-1)
Dynamische Bildanalyse (ISO 13322-2)
Dynamische Bildanalyse: Messbereich und Kalibrierung
Der Abbildungsmaßstab eines dynamischen Bildanalysesystems wird über eine Kalibrierung festgelegt. Hierfür werden hochpräzise Referenzobjekte in das Messgerät eingesetzt und von den Kameras vermessen. Daraus ergib sich der Abbildungsmaßstab in Pixel / Millimeter. Dieser bestimmt dann auch die Auflösung und Nachweisgrenze des Mess-Systems.
Bei den Referenzobjekten handelt es sich meist um Glasscheiben, auf die mittels Elektronenlithografie definierte, kreisförmige Elemente aufgebracht wurden. Die Kalibrierung erfolgt werkseitig, kann aber jederzeit in nur 1-2 Minuten vom Anwender wiederholt und überprüft werden. Die obere Grenze des Messbereiches ist durch die Bildgröße limitiert. Partikel bis ca. 1/3 der Bilddiagonalen lassen durch dynamische Bildanalyse noch sinnvoll erfassen.
Typisches Kalibrierobjekt für ein CAMSIZER-System
Dynamische Bildanalyse: das 2-Kamera-Prinzip
Durch die simultane Verwendung von zwei Kameras in einem Analysator lässt sich der Messbereich der dynamischen Bildanalyse deutlich erweitern. Die beiden Kameras der Geräte der CAMSIZER-Serie sind für verschiedene Größenbereich optimiert: die ZOOM-Kamera erfasst kleine Partikel mit großer Genauigkeit dank hoher Auflösung, während die BASIC-Kamera gleichzeitig mit einem größeren Bildfeld die großen Partikel analysiert.
Dadurch werden für jeden Größenbereich ideale Messbedingungen erzielt. Das Gesamtergebnis entsteht durch eine Kombination der von ZOOM und BASIC Kamera.
Der große Vorteil dieser Methode der dynamischen Bildanalyse ist ein breiter dynamischer Messbereich mit einem Faktor von bis zu 10 000 zwischen unterer und oberer Grenze, und zwar ohne Justagen an den optischen Komponenten (kein Wechsel von Linsen. Objektiven o.ä.).
Bei der Messung sind zwei Kameras aktiv: die Basic-Kamera (rot) analysiert die großen Partikel, die Zoom-Kamera (blau) analysiert die kleinen Partikel. Somit werden für alle Partikelgrößen optimale Messbedingungen erreicht.
Partikelgrößen und Partikelform mit dynamischer Bildanalyse
Durch die dynamische Bildanalyse lässt sich eine Vielzahl verschiedener morphologischer Parameter für alle detektierten Partikel erfassen und quantitativ auswerten. Die Partikelgrößenverteilung kann auf unterschiedlichen Größendefinitionen basieren, wie z. B. Partikelbreite, Partikellänge oder Durchmesser des flächengleichen Kreises.
Die Partikelgrößen werden beispielsweise als Sehnenmaße, Feret-Längen oder Martin-Durchmesser ermittelt. Mit dynamischer Bildanalyse ist auch die Analyse von Partikelform möglich, z. B. die Bestimmung von Parametern wie Rundheit, Zirkularität, Aspektverhältnis, Konvexität, Symmetrie u.v.m.
KI-gestützte Partikelklassifizierung
Von Bildern zur intelligenten Klassifizierung
Die CAMSIZER-Serie kombiniert Dynamische Bildanalyse mit KI-Filtern in der DIMENSIONS-Software, um Partikel in gemischten Proben automatisch zu klassifizieren. Basierend auf einer großen Anzahl einzelner Partikelbilder ermöglicht die KI-gestützte Analyse eine zuverlässige Trennung verschiedener Partikelpopulationen und liefert statistisch robuste Ergebnisse. KI-Filter ermöglichen die Unterscheidung von Partikeln, selbst wenn Größenverteilungen sich überschneiden, beispielsweise die Trennung runder von kantigen Partikeln, des gewünschten Produkts von Verunreinigungen oder intakter Partikel von Defekten. Die Klassifizierung kann auf gemessenen Größen- und Formbeschreibern wie xc_min, Breite, Dicke, Seitenverhältnis (b/l), Rundheit, Kompaktheit oder Transparenz basieren oder direkt auf der KI-Mischungsinformation des Partikelbildes, unabhängig von vordefinierten Beschreibern. KI-Filter können während der Messung angewendet oder in Sekunden auf gespeicherten Daten neu berechnet werden. Klassifizierte Partikel werden direkt im Partikel-Viewer angezeigt, was eine sofortige visuelle Validierung jeder Klasse ermöglicht und transparente, objektive Ergebnisse bei reduzierter Bedienerbeeinflussung gewährleistet.
Von KI-Filtern zu quantitativen Ergebnissen
KI-Filter in der CAMSIZER-Serie tun mehr als nur Partikelbilder sortieren – sie ermöglichen eine fortgeschrittene, klassenspezifische Bewertung. Nach der Klassifizierung berechnet DIMENSIONS automatisch die Größen- und Formverteilungen separat für jede Partikelklasse neu.
Zusätzlich berechnet die Software den Volumenanteil jeder Klasse und liefert direkte quantitative Informationen über Komponentenverhältnisse, Verunreinigungen oder fehlerhafte Fraktionen. Dies unterstützt eine robuste Qualitätskontrolle, den Vergleich von Chargen und die zuverlässige Erkennung kleiner Ausreißerpopulationen wie Agglomerate oder zu große Partikel.
Typische Anwendungen umfassen die Bewertung von Mischmaterialien, die Identifizierung von Formqualitätsschwänzen und die Qualifizierung von Fremdpartikeln in Pulvern, Körnern, Pellets oder Schleifmitteln. Benutzertrainierbare KI-Filter können an spezifische Materialien angepasst und für routinemäßige QC oder F&E wiederverwendet werden, wodurch eine höhere Produktivität, tiefere Einblicke und eine robuste Qualitätskontrolle aus einer einzigen Messung der Dynamischen Bildanalyse erzielt werden.
Weitere Vorteile der dynamischen Bildanalyse
1. Ersatz für die Siebanalyse
In vielen Branchen hat die dynamische Bildanalyse bereits die klassische Analysensiebung ersetzt.
Die Ergebnisse sind zu nahezu 100 % kompatibel und dank der weitgehend automatischen Messung lässt sich ein wesentlich höherer Probendurchsatz bei gleichzeitig reduziertem Reinigungs- und Wartungsaufwand realisieren.
Auf diese Weise konnte bereits eine Vielzahl von Anwendern die zeitraubende Siebung durch ein CAMSIZER- System ersetzen, ohne auf die vertrauten Qualitätsmerkmale verzichten zu müssen.
Perfekte Übereinstimmung von Siebanalyse und CAMSIZER P4-Resultaten, am Beispiel von granulierten Düngemitteln.
2. Online-Betrieb
Dynamische Bildanalyse lässt sich auch für viele Anwendungen als Online Mess-System direkt in den Prozess integrieren.
Die Robustheit der Geräte erlaubt den Einsatz in produktionsnahen Umgebungen: Staub, Vibration und Temperaturschwankungen beeinträchtigen die Messung nicht. Über einen automatischen Probenehmer wird dem Messgerät kontinuierlich Material zugeführt.
Änderungen im Prozess oder in der Produktqualität können so praktisch in Echtzeit erkannt werden.
Nebenstehendes Bild zeigt ein System von Microtrac im Online-Betrieb einer Düngemittelfabrik.
3. Überkorn
Für viele Fragestellungen in der Partikelmesstechnik ist der sichere Nachweis von Überkorn entscheidend, z.B. bei der Analyse von Schleifmitteln oder der Charakterisierung von Metallpulvern für die additive Fertigung. Auch für solche Anwendungen ist die dynamische Bildanalyse hervorragend geeignet. Da es sich um ein Einzelpartikel-Messverfahren handelt, wird das Überkorn, wenn es von der Kamera erfasst wird, auch im Ergebnis repräsentiert sein.
Die Detektionswahrscheinlichkeit ist dank der hohen Aufnahmerate von bis zu 320 Bildern pro Sekunde und der großen Anzahl an aufgenommenen Partikeln extrem hoch. Bei einigen Anwendungen lässt sich sogar eine 100 % Nachweisgenauigkeit garantieren. Das Beispiel (Abb. 5) zeigt die Analysen einer Metallpulver-Probe der Unterschiedliche Anteile an Überkorn hinzugemischt wurden. Das dynamische Bildanalysesystem CAMSIZER X2 erkennt sogar noch 0.005 % Anteil an großen Partikeln!
Sichere Detektion geringster Mengen Überkorn in einer Metallpulver-Probe: Das Metallpulver ist kleiner 100 µm, das Überkorn 200 µm. Die Tabelle zeigt, wie viel Überkorn beigemischt wurde und wieviel der CAMSIZER erkannt hat.
4. Wiederholbarkeit
Die große Anzahl an Partikeldetektionen bei der dynamischen Bildanalyse bringt einen weiteren Vorteil: es wird eine überaus gute Wiederholbarkeit der Ergebnisse erreicht.
Die Grafik zeigt fünf aufeinanderfolgende Messungen eines 3-modalen Gemisches von Glasperlen in einem Größenbereich von 50 μm bis 1,5 mm. Jede Messung dauerte ca. 2,5 Minuten, bei 5 Millionen erfassten Partikeln pro Messung.
Mit dynamischer Bildanalyse lässt sich exzellente Wiederholbarkeit erzielen
5. Dynamische Bildanalyse ergänzt Laserbeugung
Dynamische Bildanalyse ist einsetzbar für Proben ab ca. 1 µm. Wenn auch kleinere Partikel enthalten sind, ist die Laserbeugung die Methode der Wahl. Allerdings lassen sich mit dieser Technik keine Informationen über die Kornform gewinnen und auch der Nachweis von Überkorn ist wesentlich weniger empfindlich.
Aus diesem Grund wurde mit dem SYNC ein neuartiges Messgerät entwickelt, dass Laserbeugung mit dynamischer Bildanalyse auf einzigartige Weise ergänzt.
Aktuell ist der Microtrac SYNC der modernste Laserbeugungs-Analysator im Produktprogramm.
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Dynamische Bildanalyse - FAQ
Was ist der Unterschied zwischen statischer und dynamischer Bildanalyse?
Bei der statischen Bildanalyse (ISO 13322-1) befinden sich die Partikel bei der Bildaufnahme in Ruhe, ähnlich wie bei einem Mikroskop. Bei der dynamischen Bildanalyse (ISO 13322-2) wird ein Partikelstrom von einem Kamerasystem erfasst. Die statische Methode produziert detaillierte Aufnahmen weniger Partikel, wo hingegen die dynamische Bildanalyse sehr viele Messereignisse (Partikel) in sehr kurzer Zeit auswerten kann. Dies hat zur Folge, dass Wiederholbarkeit und Nachweis von Überkorn bei der dynamischen Bildanalyse deutlich besser sind.
Kann dynamische Bildanalyse die Siebanalyse ersetzen?
Ein großer Vorteil der dynamischen Bildanalyse ist die Kompatibilität der Ergebnisse mit denen traditionellen Siebanalyse. Anwender profitieren von der kürzeren Messzeit und damit höherem Probendurchsatz, der weitgehenden Automatisierbarkeit (z. B. Online-Anbindung) und somit geringeren Fehleranfälligkeit. Die Aufwändige Reinigung und Auswertung entfällt bei der dynamischen Bildanalyse.
Welchen Messbereich hat die dynamische Bildanalyse?
Die untere Messbereichsgrenze für dynamischer Bildanalyse liegt bei ~0,8 µm, die größten Partikel bei ~135 mm. Die untere Grenze jedes dynamischen Bildanalysesystems ist durch die Auflösung der Kameras (Abbildungsmaßstab) begrenzt, die Obergrenze durch die Größe des Bildfensters (ca. 1/3 der Bilddiagonalen). Durch die Verwendung von zwei Kameras mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben in einem Gerät lassen sich mit dynamischer Bildanalyse Messbereiche mit einem Faktor von bis zu 10 000 zwischen unterer und oberer Grenze erzielen.
Welche Proben sind für dynamische Bildanalyse geeignet?
Dynamische Bildanalyse bietet eine große Bandbreite an verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten. Sowohl für routinemäßige Qualitätskontrolle und Produktionsüberwachung als auch für F&E Aufgaben wird die Methode eingesetzt. Viele Branchen nutzen bereits die Vorteile der dynamischen Bildanalyse. z. B. für pharmazeutische Produkte, Lebensmittel, Düngemittel, Sand, Baustoffe, Kunststoffe und überall dort, wo mit pulverförmigen Produkten oder Granulaten gearbeitet wird.
Wie lange dauert eine Messung mit dynamischer Bildanalyse?
Dank der hohen Bildaufnahmerate von 60 – 320 Bildern pro Sekunde (geräteabhängig), wird in sehr kurzer Zeit eine große Zahl an Partikeln erfasst. So wird schnell ein aussagekräftiges Ergebnis erzielt. Üblicherweise liegen die Messzeiten bei der dynamischen Bildanalyse bei 1 -5 Minuten. Da die Messung berührungslos erfolgt, ist der Reinigungs- und Wartungsaufwand sehr gering.