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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Welligkeit einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und einer Anordnung zur Bestimmung der Welligkeit einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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In der Prozesstechnik ist es bekannt, Eigenschaften von Materialien oder allgemein „Medien“ anhand der Reflexionsfähigkeit bzw. Welligkeit ihrer Oberfläche zu bestimmen. In einem konkreten Anwendungsfall wird beispielsweise eine Flüssigkeit in eine Zentrifuge gegeben, wobei sich aufgrund der Zentrifugalkraft die Flüssigkeit als ein Film auf die Innenseite des Zentrifugenbehälters verteilt. Um eine Auskunft darüber zu erhalten, ob beispielsweise bei einem Erkalten der Flüssigkeit das Material noch flüssig ist oder bereits fest oder zumindest teilweise fest ist, wird üblicher Weise ein Licht- oder Laserstrahl auf die Flüssigkeitsoberfläche projiziert, wodurch sich eine punktförmige Abbildung des Laserstrahls auf einer gegenüberliegenden Stirnseite der Zentrifuge ergibt. Sofern der Punkt in einer scharfen Abbildung auf der Stirnseite des Zentrifugenbehälters abgebildet wird, ist von einer glatten Oberfläche des Flüssigkeitsfilm auszugehen, also von einer Oberfläche mit einer geringen Welligkeit. Bei einem Erkalten bzw. einem Erstarren der Flüssigkeit wird die Oberfläche matt, was einer erhöhten Welligkeit entspricht. Der Laserstrahl wird dadurch auch diffus oder unscharf abgebildet, was ein Bediener erkennen kann. Je unschärfer die Abbildung ist, desto höher sind die Anteile des Mediums, die bereits erstarrt sind, die also einen festen Aggregatzustand angenommen haben.
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Die genannte Anordnung und das genannte Verfahren weist zum einen den Nachteil auf, dass in der Regel ein menschlicher Betrachter beurteilen muss, ob die Abbildung des Laserstrahls noch scharf oder bereits unscharf ist, wobei insbesondere Zwischenwerte nur schwer zu beurteilen sind. Zwar ist es möglich, die Abbildung mit einer Kamera aufzunehmen, allerdings muss dann in aufwändiger Weise eine Bildauswertung programmiert werden, welche die Schärfe bzw. Unschärfe der Abbildung auswertet und in Bezug setzt zu einer Welligkeit der Oberfläche.
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Ein weiterer Nachteil im Stand der Technik ist darin zu sehen, dass mit den üblicher Weise benutzten Lasern nur punktförmige oder linienförmige Abbildungen erzeugt werden, so dass sich bei einer inhomogenen Verteilung von flüssigen und festen Materialanteilen im Medium ein zufälliges oder indifferentes „Bild“ ergibt, welches nur schlecht auswertbar ist.
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Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität der Erfassung der Welligkeit einer Oberfläche insbesondere bei inhomogenen Flächen zu erhöhen und zu einer kostengünstigen, einfachen Auswertemöglichkeit zu gelangen.
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Es ist eine Kernidee der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, mit einem an sich bekannten Laser eine flächenhafte Codierung, insbesondere einen zweidimensionalen Datamatrixcode, beispielsweise einen Quick-Response-Code (QR-Code), zu projizieren, und die durch die Reflexion gegebene Abbildung mit einer Auswertekamera für flächenhafte Codierungen auszuwerten. Dabei macht man sich zu Nutze, dass es für die zweidimensionalen Codes, insbesondere für die erwähnten Datamatrixcodes, bereits Kameras mit integrierter Decodier-Einrichtung, und auch Normen zur Messung der Darstellungsqualität gibt, beispielsweise ISO 16022. Diese sog. „Verifikation“ gibt die Qualität der Abbildung anhand mehrerer Kriterien wieder, beispielsweise Kontrast, Verzerrung, Fehlerrate etc. Insbesondere weisen die bekannten Datamatrixcodes eine Redundanz auf, was bedeutet, dass die Codierung auch dann lesbar ist, wenn ein (nicht allzu großer) Anteil der Darstellung gestört ist. Darüber hinaus sind die aus dem Stand der Technik bekannten Kameras in der Lage, den zweidimensionalen Code innerhalb eines größeren Bildes aufzufinden, was bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren tolerant gegenüber sich ändernden Flüssigkeitsständen oder anderen Änderungen der Geometrie und einer damit verbundenen Verschiebung der Abbildung sind. Außerdem sind solche industriellen Kameras in der Lage, perspektivische Verzerrungen, die beispielsweise aus nichtorthogonaler Reflexion, aus nicht-planaren Spiegelungsflächen etc. resultieren, auszugleichen bzw. herauszurechnen.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und durch die Anordnung nach Patentanspruch 8 gelöst.
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Dabei wird ein Verfahren zur Bestimmung der Welligkeit einer Oberfläche vorgeschlagen, wobei Licht auf die Oberfläche gerichtet und von der Oberfläche auf eine Projektionsfläche reflektiert wird, wobei anhand der resultierenden Abbildung auf der Projektionsfläche die Welligkeit bestimmt wird. Dabei wird mit dem Licht ein maschinenlesbarer graphischer Code auf die Oberfläche projiziert und von der Oberfläche zu der Projektionsfläche reflektiert und auf der Projektionsfläche abgebildet, wobei die Abbildung auf der Projektionsfläche mittels einer Kamera aufgenommen und automatisch ausgewertet wird, wobei ein Wert für die Qualität der Abbildung ermittelt wird, und wobei der Wert als Maß für die Welligkeit verwendet wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, einen flächenhaften Abschnitt der Oberfläche insgesamt hinsichtlich einer durchschnittlichen Oberflächenwelligkeit zu untersuchen, wobei eine herkömmliche Auswertekamera für graphische Codes verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine Anordnung zur Bestimmung der Welligkeit einer Oberfläche gelöst, mit einem Projektionsmittel zur Projizierung von Licht auf die Oberfläche, mit einer Projektionsfläche, wobei das Projektionsmittel, die Oberfläche und die Projektionsfläche derart zueinander angeordnet sind, dass das projizierte Licht von der Oberfläche reflektiert und auf der Projektionsfläche abgebildet wird.
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Dabei ist das Projektionsmittel zur Projizierung eines maschinenlesbaren graphischen Codes auf die Oberfläche eingerichtet, wobei eine Kamera zur Aufnahme des auf der Projektionsfläche abgebildeten Codes und Auswertemittel zur Auswertung des von der Kamera aufgenommenen Codes vorgesehen sind, wobei die Auswertemittel zur Bereitstellung eines Wertes für die Qualität der Abbildung des aufgenommenen reflektierten Codes eingerichtet sind, wobei der Wert für die Qualität als ein Maß für die Welligkeit verwendbar ist. Durch eine solche Anordnung lassen sich die bereits mit dem Verfahren diskutierten Vorteile realisieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die dabei beschriebenen Merkmale und die sich daraus ergebenden Vorteile können sowohl einzeln, als auch in Kombination miteinander realisiert werden.
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Als der graphische Code wird vorteilhaft ein zweidimensionaler Code, insbesondere ein Datamatrixcode oder ein Quick-Response-Code verwendet. Für solche graphischen Codes sind am Markt zahlreiche geeignete Kameras zur Aufnahme und Auswertung dieser Codes verfügbar, wobei diese Kameras als ein zusätzliches Auswerteergebnis nicht nur den decodierten Code ausgeben können, sondern auch als sog. „Verifikation“ Daten über eine erfolgte Fehlerkorrektur, einen Kontrast und andere – meist optische – Parameter. Diese „Verifikationsdaten“ können vorteilhaft direkt als ein Maß für die Welligkeit der Oberfläche verwendet werden. Für einfache Fälle kann es ausreichen, nur zu unterscheiden, ob in der von der Kamera erfassten Abbildung überhaupt ein decodierbarer, lesbarer Code aufgefunden werden konnte, oder nicht. Eine solche Unterscheidung kann beispielsweise ausreichen, um zwischen einem komplett flüssigen und einem komplett nicht-flüssigen (also festem) Aggregatzustand des beobachteten Mediums, welche die Oberfläche bildet, zu unterscheiden.
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Obwohl das Verfahren bereits mit diffusem Licht als Lichtquelle zur Projektion des graphischen Codes durchgeführt werden kann, ergeben sich bessere Ergebnisse bei der Verwendung von kohärentem Licht, insbesondere von Laserlicht. Insbesondere kann damit der graphische Code vorteilhaft als ein Hologramm projiziert werden, was eine exaktere Auswertung der Oberflächenwelligkeit in Verbindung mit den verwendeten Kameras gestattet und Fokussierungsprobleme verringert. Zudem sind Hologramm-Dias recht kleinbauend und erlauben in der Kombination mit einem Laser hohe Leuchtdichten. Alternativ sind natürlich auch herkömmliche Licht-Dias einsetzbar.
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Je nach verwendetem Medium kann es weiterhin vorteilhaft sein, in den Strahlengang ein Farbfilter oder ein Polarisationsfilter einzusetzen. Insbesondere bei flüssigen Medien, beispielsweise wässrigen Lösungen, kann die letztgenannte Variante mit Polarisationsfilter überhaupt erst gewährleisten, dass sich eine vollständige Abbildung des reflektierten Codes ergibt. Vorteilhaft werden die verwendeten Filter (Farbfilter und/oder Polarisationsfilter) zwischen einer Projektionseinheit (Laser und Datamatrixcode-Dia) und der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet.
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Wie bereits erwähnt, sind die gängigen flächenhaften Codierungen in gewissen Grenzen fehlertolerant, was bedeutet, dass die üblicher Weise verwendeten Codes Redundanzen aufweisen. Insbesondere in den Fällen, in denen nur zwischen einer Decodierbarkeit und einer Nicht-Decodierbarkeit unterschieden wird, kann es daher vorteilhaft sein, verschiedene Dias mit zweidimensionalen Codes vorzuhalten, wobei sich diese verschiedenen Dias darin unterscheiden, dass sie bereits in gewissem, aber für sich genommen noch tolerierbarem Maße Fehler in der Codierung aufweisen. Sofern ein solches Dia bereits sehr viele Codierungsfehler aufweist, wird die Projektion nur dann einen noch lesbaren Code enthalten, wenn die Oberflächenwelligkeit des Mediums gering ist, sich also eine nahezu perfekte Reflexion und damit Abbildung ergibt. Wird ein Dia hingegen verwendet, welches eine vollständig ordnungsgemäße Codierung aufweist, wird auch dann noch ein lesbarer Code decodierbar sein, wenn die Oberfläche einige Abbildungsstörungen hervorruft, also nicht ideal ist. Auf diese Weise kann je nach verwendetem Dia eine unterschiedliche Anforderung an die Oberflächenwelligkeit gestellt werden. Es muss also keine Auswertung in einer Kamera oder in einer daran angeschlossenen speicherprogrammierbaren Steuerung, Computer oder ähnlichem eingestellt werden, sondern es reicht, aus verschiedenen Dias dasjenige auszuwählen, welches des konkreten Anforderungen zum fraglichen Zeitpunkt entspricht.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es dient gleichzeitig der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schnittdarstellung eine Zentrifuge mit einem Medium, auf welches eine flächenhafte Codierung projiziert wird, und wobei die Projektion mittels einer industriellen Kamera ausgewertet wird.
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In der Figur ist in einer schematischen Schnittdarstellung eine Zentrifuge dargestellt, welche einen mit der Achse A drehbar gelagerten Behälter B umfasst. In diesem Behälter ist ein Medium M vorhanden, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Flüssigkeit sein soll, welche sich durch die Drehbewegung des Behälters B an dessen Außenwänden als ein Film ablegt. Die Oberflächenwelligkeit dieses Mediums M soll erfasst werden, weil diese beispielsweise Rückschlüsse über das Voranschreiten einer chemischen Reaktion im Medium M (beispielsweise eine Verestherung), einem Erstarren (Aggregatzustandswechsel), einer Viskosität oder dgl. bieten soll.
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An einem Gehäuse der Zentrifuge und dabei nicht-drehbar angeordnet sind eine industrielle Kamera K, welche die zur Decodierung einer flächenhaften Codierung benötigten Betriebsmittel beinhaltet, insbesondere eine Bildauswerte-Software, eine mikroprozessorgesteuerte Hardware, einen Datenausgang oder zumindest per Software steuerbare potentialfreie Kontakte etc.
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Die Kamera K ist dabei auf einen Teil der Stirnfläche des Behälters B ausgerichtet, welche als eine Projektionsfläche P ausgebildet ist, insbesondere eine reflektierende Beschichtung nach Art einer Leinwand aufweist. Ebenfalls ist stationär eine Projektionseinrichtung vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel als ein Laser L und ein diesem Laser L vorgeschaltetes Dia D ausgebildet ist. Das Dia D ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Hologramm und zeigt dabei einen Datamatrixcode, alternativ einen Quick-Response-Code. Die Projektionseinrichtung ist derart ausgerichtet, dass der "Inhalt" (Bildinformation) des Dias D auf das Medium M projiziert wird, und dort in einem Reflexionsbereich R weiter reflektiert wird, so dass sich eine Abbildung im Projektionsbereich P derart ergibt, dass das Bild mit dem projizierten Code durch die Kamera K erfasst werden kann. Dabei ist der von der Kamera K erfasste Bildbereich größer als die Abbildung des Datamatrixcodes. Dies bedeutet, dass auch bei variierender Dicke des Flüssigkeitsfilms und sich einer daraus ergebenden Verschiebung der Abbildung auf der Projektionsfläche P der Datamatrixcode auf jeden Fall vollständig gelesen werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Position der lesbaren Codierung in dem Bild, welches von der Kamera K erfasst wird, von der Kamera K in Form von Koordinaten ausgegeben werden, wodurch sich ohne konstruktiven Mehraufwand eine Füllstandserfassung der Zentrifuge realisieren lässt.
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Die Qualität der Abbildung, die durch die Kamera K von der Projektionsfläche P gelesen wird, hängt direkt von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Mediums M und damit von der Oberflächenwelligkeit ab. Bei einer vollständigen Nicht-Lesbarkeit bzw. Nicht-Decodierbarkeit der Abbildung kann davon ausgegangen werden, dass die Oberfläche entweder eine sehr hohe Welligkeit aufweist, oder aber diffus (matt) ist. Dem gegenüber ergibt sich beispielsweise bei vollständig flüssigem Aggregatzustand und/oder einer niedrigen Viskosität des Mediums M eine nahezu planare Oberfläche und damit perfekte Reflexion und somit Abbildung, so dass bei einer vollständigen, fehlerfreien Lesbarkeit des projizierten graphischen Codes auf eben diese geschilderten Eigenschaften des Mediums M geschlossen werden kann. Die Kamera K ist über eine Datenverbindung mit einer Auswertesoftware AW einer Rechnereinheit CPU verbunden. Die Rechnereinheit CPU kann dabei ein herkömmlicher Personal-Computer sein, insbesondere aber auch eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC – Programmable Logic Controller), wie sie in der Prozesstechnik häufig eingesetzt wird. Dabei sendet die Kamera K regelmäßig, also bei jeder wiederkehrenden Erfassung eines graphischen Codes, einen Datensatz zu der Anwendung AW, wobei dieser Datensatz neben dem Nutzinhalt des graphischen Codes auch Leseparameter übermittelt, beispielsweise einen Qualitätswert, der Auskunft darüber ergibt, ob und inwieweit eine Fehlerkorrektur unlesbare oder gestörte Bild- und damit Code-Bestandteile rekonstruieren musste; weiterhin werden Parameter über Kontrast, Helligkeit etc. der Abbildung übertragen und – in einer vorteilhaften Ausgestaltung – die Koordinaten des erfassten Codes innerhalb der gesamten aufgenommenen Abbildung.
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Anhand dieser Daten kann die Auswertesoftware AW Rückschlüsse auf die Oberflächenwelligkeit des Mediums M ziehen, indem beispielsweise die von der Kamera K übermittelten Parameter anhand einer Auswertetabelle (Look-Up-Table) in entsprechende Prozessparameter übersetzt werden. Anhand der geschilderten Koordinaten sind darüber hinaus beispielsweise als „Nebenprodukt“ der Auswertung ein Füllstand der Zentrifuge oder eines anderen beobachteten Behälters ermittelbar.
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Im einfachsten Fall wird anhand einer Decodierbarkeit bzw. Nicht-Decodierbarkeit unterschieden, ob das Material bzw. Medium M flüssig ist (dann spiegelt sich der projizierte Datamatrix-Code scharf an der Projektionsfläche P), oder aber bereits fest ist (dann spiegelt sich der projizierte Datamtrixcode unscharf an der Projektionsfläche P). Anhand der geschilderten Angaben zur Darstellungsqualität, die durch eine "Auswertekamera", z.B. Siemens SIMATIC MV440, bereitgestellt werden können, können auch Zwischenstufen sicher unterschieden werden. Für Datamatrixcodes (sog. „DMC-Markierungen“) sind dazu standardisierte Normen zur Messung und Quantifizierung der Darstellungsqualität bekannt, beispielsweise die Norm ISO 16022. Diese "Qualitätsbestimmung" wird auch als „Verifikation“ bezeichnet. Die „Verifikation“ beurteilt die Qualität anhand mehrerer Kriterien, z.B. Kontrast zwischen Hintergrund und Codeelement („DOT“ im Falle von Datamatrixcodes), Lageabweichungen der Codeelemente („DOT“, „Pixel“), Fehlerkorrektur ("Error-Correction") in den Fällen, in denen Codeelemente rekonstruiert werden mussten, Bildverzerrungen etc. Die „Verifikation“ kann damit verwendet werden, um die Schärfe und Verzerrung der Abbildung und damit die Welligkeit der Oberfläche zu messen. Mit dieser (genormten) Verifikation liegt ein standardisiertes Verfahren zur Verfügung, um die Verformung und damit die Oberfläche einer definierten Struktur automatisch zu messen. Die abgebildete Struktur, also der Datamatrixcode, wird im Bild selbsttätig aufgefunden, so dass sich eine Toleranz gegenüber variierender Flüssigkeitspegel ergibt. Durch die Verwendung eines flächenhaften graphischen Codes, also durch einen zweidimensionalen Code ist eine Messung in der Fläche möglich. Dies bedeutet beispielsweise beim Wechsel eines Aggregatzustands von flüssig nach fest, dass ein Erstarren in Teilbereichen der Reflexionsfläche R abhängig von der Größe des Codes, der Fehler-Toleranz und der Redundanz in dem projizierten Code festgestellt werden kann. Durch die Leistungsfähigkeit der bekannten Kameras K ist das Verfahren recht hochfrequent anwendbar mit beispielsweise ca. 40 Messungen (inklusive „Verifikation“) pro Sekunde, abhängig von der Codegröße und der Verifikationsnorm. Neben dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel für eine Zentrifuge ist das Verfahren und die Anordnung selbstverständlich auch für andere, z.B. nicht-bewegte, horizontale Behälter oder dgl. nutzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 16022 [0006]
- Norm ISO 16022 [0023]
