Wie funktioniert die SWIR-Füllstandskontrolle?
Es gibt viele Fälle, in denen es auf eine genaue Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter ankommt. Während bei der Herstellung von Haushaltsreinigungsmitteln ein Füllstandsüberwachungssystem erforderlich sein kann, um die Konsistenz zu gewährleisten, kommen in Labors zunehmend automatisierte Systeme zur Differenzierung von Proben zum Einsatz.
Es ist möglich, einen Kunststoffbehälter gezielt mit denjenigen Wellenlängen zu beleuchten, die von der darin enthaltenen Substanz absorbiert werden. Anhand dieser Methode lässt sich in Verbindung mit fest installierten SWIR-Kameras und Bildverarbeitungssoftware ein genaues Messsystem entwickeln.
Ein einfaches Beispiel wäre eine Wasserabfüllanlage. Wasser absorbiert SWIR-Wellenlängen im Bereich von ca. 1450 nm und ergibt ein dunkleres Bild, wohingegen Kunststoffe oder Druckfarben auf dem Behälter selbst transparent erscheinen. Während das menschliche Auge den Füllstand in einem undurchsichtigen Behälter nicht erkennen kann, blickt ein SWIR-Füllstandsprüfer einfach durch die Behälterwand hindurch.
Die Bildverarbeitungssoftware verarbeitet die Bilddaten und vergleicht sie sofort mit einem zuvor definierten akzeptablen Füllstand. Behälter mit einem nicht zufriedenstellenden Füllstand können dann automatisch aus der Produktionslinie ausgeschleust oder zur Korrektur in eine frühere Prozessphase zurückgeführt werden.
Was aber, wenn man mehr als eine Substanz gleichzeitig überprüfen möchte? Ushio beherrscht die Kunst, bis zu drei verschiedene Chips, die nur wenige Quadratmillimeter groß sind, in einem Package unterzubringen. Bei den Chips kann es sich um Bündel mehrerer LEDs und Sensoren handeln, so dass jedes Package den belegten Platz auf einer Leiterplatte effektiv um zwei Drittel reduziert.
Es ist sogar möglich, verschiedene Materialkomponenten sehr detailliert zu analysieren, indem verschiedene Beleuchtungswellenlängen durchlaufen werden. Durch das unabhängige Pulsieren von lichtemittierenden Chips in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ist es möglich, spektroskopische Bilder zu erhalten, die einen vollständigen Eindruck der Zusammensetzung vermitteln.
Wie werden die SWIR-LEDs von Ushio bei der Füllstandskontrolle eingesetzt?
LEDs mit einer Wellenlänge von 1450 nm entsprechen dem spektralen Absorptionsgrad von Wasser, aber auch andere Substanzen können mit SWIR erkannt werden. Durch den Einsatz von SWIR-LEDs, die auf die spezifischen Wellenlängen abgestimmt sind, die von jeder Substanz absorbiert werden, können selbst bei einem Flüssigkeitsgemisch die einzelnen Bestandteile identifiziert werden. So emittieren beispielsweise LEDs, die üblicherweise für den Nachweis von Ethanol ausgewählt werden, bei 1500–1600 nm, während Öle und Fette leicht mit Wellenlängen um 1700 nm nachgewiesen werden können.
In der Regel werden mehrere SWIR-LEDs in einer linearen oder planaren Konfiguration angeordnet, um den gesamten Behälter, einschließlich der Zielflüssigkeit, zu beleuchten. Ziel ist es, die SWIR-Wellenlänge durch die Flüssigkeit und den Behälter hindurch auf einen InGaAs-Bildsensor auf der anderen Seite zu transmittieren.
Die Wellenlänge von 1450 nm wird größtenteils von Wasser absorbiert, weist jedoch einen hohen Transmissionsgrad durch Kunststoff und Glas auf, die üblicherweise für Flaschen verwendet werden. Infolgedessen zeigt das transmittierte Bild einen starken Schatten, der durch das Wasser verursacht wird, und die Oberkante des Wassers zeichnet sich deutlich ab.
Die aus dem Transmissionsbild extrahierten Füllstandsinformationen können zur Automatisierung einer Reihe von Vorgängen verwendet werden. So ist es z. B. möglich, den Füllstand beim Einfüllen von Flüssigkeit in die Flasche ständig zu beobachten und das Einfüllen zu stoppen, sobald der vorgegebene Füllstand erreicht ist.
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